सामग्री के ऊष्मप्रवैगिकी

ऊष्मागतिकी का अवलोकन

तापीय प्रभावों में परिवर्तन आमतौर पर प्रकृति में होने वाली सभी भौतिक, रासायनिक और चयापचय प्रतिक्रियाओं के साथ होता है। गर्मी की प्रकृति के बारे में लोगों की समझ अन्वेषण की एक लंबी और कष्टदायक यात्रा से गुज़री है।

20वीं सदी की शुरुआत में, प्लैंक, पॉइनकेयर, गिब्स और अन्य वैज्ञानिकों ने थर्मोडायनामिक्स के पहले और दूसरे नियमों के आधार पर मैक्रोस्कोपिक सिस्टम को अध्ययन के उद्देश्य के रूप में लिया और एन्थैल्पी, एन्ट्रॉपी, हेल्महोल्ट्ज़ और गिब्स जैसे कार्यों को परिभाषित किया, साथ ही पी, वी और टी जैसे वस्तुनिष्ठ गुणों को भी परिभाषित किया जिन्हें सीधे मापा जा सकता है। आगमनात्मक और निगमनात्मक तर्क के बाद, थर्मोडायनामिक सूत्रों और निष्कर्षों की एक श्रृंखला प्राप्त हुई, जिसका उपयोग ऊर्जा, चरण और प्रतिक्रिया को हल करने के लिए किया गया। यह शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स का मूल ढांचा है। शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स का उद्देश्य एक प्रणाली में पदार्थ और ऊर्जा का आदान-प्रदान है। यह लगातार सीमा के करीब पहुंचने वाला विज्ञान है,

बोल्ट्ज़मैन और अन्य ने क्वांटम यांत्रिकी को शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी के साथ मिलाकर सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी बनाई। सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी सूक्ष्म-से-स्थूल दृष्टिकोण से संबंधित है, जो सूक्ष्म कणों के गुणों से शुरू होता है और सांख्यिकीय संभावना का पता लगाकर सिस्टम या कण के विभाजन फ़ंक्शन को परिभाषित करता है, जिसका उपयोग स्थूल गुणों के साथ संबंध स्थापित करने के लिए एक पुल के रूप में किया जाता है।

समय ऊष्मागतिकी में एक महत्वपूर्ण स्वतंत्र चर है, और समय चर से कैसे निपटना है यह ऊष्मागतिकी के विभिन्न स्तरों को अलग करने का एक संकेत है। भौतिकी में, एन्ट्रॉपी वृद्धि का उपयोग समय की एकदिशात्मक प्रकृति का वर्णन करने के लिए किया जाता है। ऊष्मागतिकी संभावनाओं का अध्ययन करती है, और गतिकी वास्तविकताओं का अध्ययन करती है, अर्थात, परिवर्तन की दर और परिवर्तन का तंत्र। गतिकी प्रतिक्रिया प्रगति बनाम समय का एक कार्य है, जहां सिस्टम की व्यवहारिक स्थिति और आउटपुट केवल प्रारंभिक स्थिति और बाद के इनपुट पर निर्भर करता है।

प्रकृति में होने वाली बहुत सी घटनाएँ असंतुलित अवस्था में अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएँ हैं, जो ऊष्मागतिकी को संतुलन से असंतुलित अवस्था की ओर ले जाती हैं। 1950 के दशक में, प्रिगोगिन I, ऑनसेगर L, और अन्य ने असंतुलित अवस्था ऊष्मागतिकी (NET) का गठन किया, और स्थानीय संतुलन धारणा ऊष्मागतिकी की असंतुलित अवस्था की केंद्रीय धारणा है। उनमें से, ऑनसेगर L ने 1931 में छवि-केवल गुणांक का व्युत्क्रम-संतुलन संबंध स्थापित किया, और प्रिगोगिन ने 1945 में असंतुलित अवस्थाओं के लिए न्यूनतम एन्ट्रॉपी वृद्धि का सिद्धांत प्रस्तावित किया, जो संतुलन अवस्था के करीब रैखिक असंतुलित अवस्थाओं पर लागू होता है। संतुलन से दूर प्रणालियों के लिए, प्रोगोगिन के नेतृत्व में ब्रुसेल्स स्कूल ने वर्षों के प्रयासों के बाद प्रसिद्ध अपव्यय संरचना सिद्धांत की स्थापना की विघटनकारी संरचना सिद्धांत ने बताया कि संतुलन से दूर खुली प्रणालियाँ व्यवस्थित अवस्थाओं का निर्माण कर सकती हैं, जिससे भौतिक विज्ञान का द्वार जीवन विज्ञान के लिए खुल जाता है।
वर्तमान में, ऊष्मागतिकी अब केवल तापीय घटनाओं के बुनियादी नियमों का अध्ययन करने का विज्ञान नहीं है, यह सिस्टम सिद्धांत, गैर-रेखीय विज्ञान, जीवन विज्ञान और ब्रह्मांड की उत्पत्ति से निकटता से संबंधित है, और इसके अनुप्रयोगों में भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, इंजीनियरिंग और प्रौद्योगिकी के साथ-साथ ब्रह्मांड विज्ञान और सामाजिक विषय भी शामिल हैं [1]।

भौतिक ऊष्मागतिकी का गठन और विकास

आधुनिक पदार्थ विज्ञान की प्रगति और विकास को ऊष्मागतिकी द्वारा समर्थन और सहायता मिली है, जो पदार्थ विज्ञान के क्षेत्र में शास्त्रीय ऊष्मागतिकी और सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी सिद्धांत का अनुप्रयोग है, और इसका गठन और विकास पदार्थ विज्ञान की परिपक्वता के संकेतों में से एक है।

1876 में गिब्स चरण कानून के प्रकट होने से, एच। रूजबूम ने 1899 में चरण कानून को बहुघटक प्रणालियों पर लागू किया, रॉबर्ट्स-ऑस्टेन ने 1900 में Fe-Fe3C चरण आरेख का प्रारंभिक रूप बनाया, जिसने इस्पात सामग्री के अध्ययन के लिए सैद्धांतिक समर्थन प्रदान किया; फिर 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, जी। तम्मन और अन्य ने प्रयोगों के माध्यम से बड़ी संख्या में धातु प्रणाली चरण आरेखों की स्थापना की। 1950 के दशक की शुरुआत में, आर। किकुची ने एन्ट्रॉपी विवरण का एक आधुनिक सांख्यिकीय सिद्धांत प्रस्तावित किया, जिसने ऊष्मागतिकी सिद्धांत और पहले सिद्धांतों के संयोजन के लिए परिस्थितियाँ बनाईं; 1960 के दशक की शुरुआत में, एम। हिलर्ट और अन्य ने गैर-संतुलन प्रणालियों के ऊष्मप्रवैगिकी का अध्ययन किया, कॉफ़मैन, एम. हिलर्ट और अन्य ने चरण आरेख ऊष्मप्रवैगिकी (CALPHAD) की गणना की वकालत की, जिसने धीरे-धीरे सामग्री अनुसंधान को व्यावहारिक आवश्यकताओं के अनुसार सामग्री डिज़ाइन के युग में ला दिया [2]।

जून 2011 में, अमेरिका ने $500 मिलियन एडवांस्ड मैन्युफैक्चरिंग पार्टनरशिप की घोषणा की, जिसके मुख्य तत्वों में से एक मैटेरियल्स जीनोम इनिशिएटिव (MGI) है। “MGI का उद्देश्य नई सामग्रियों के विकास के लिए आवश्यक उपकरण प्रदान करना, शक्तिशाली कम्प्यूटेशनल विश्लेषण के माध्यम से भौतिक प्रयोगों पर निर्भरता को कम करना और प्रयोग और लक्षण वर्णन में प्रगति के माध्यम से बाजार में लाई गई नई सामग्रियों की विविधता और गति को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाना है, जिससे विकास चक्र को मौजूदा 10-20 वर्षों से घटाकर 2-3 वर्ष किया जा सके।

पदार्थ ऊष्मप्रवैगिकी ठोस पदार्थों के पिघलने और जमने, ठोस अवस्था चरण संक्रमण, चरण संतुलन संबंध और संरचना, सूक्ष्म संरचनात्मक स्थिरता, तथा चरण संक्रमण की दिशा और प्रेरक शक्ति का अध्ययन करती है। विभिन्न प्रकार के चरणों की मुक्त ऊर्जा, एन्थैल्पी, एन्ट्रॉपी आदि का वर्णन करने के लिए, विभिन्न छवि-मात्र या सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, जैसे कि आदर्श विलेय मॉडल, नियमित विलेय मॉडल, उप-नियमित विलेय मॉडल, अर्ध-रासायनिक मॉडल, परमाणु योग मॉडल, केंद्रीय परमाणु मॉडल, डबल सब डॉट मॉडल, वैरिएशनल ग्रुप मॉडल (सीवीएम), ब्रैग-विलियम्स सन्निकटन, बेथे सन्निकटन, आइसिंग सन्निकटन, मिडेमा सन्निकटन, आदि। प्रसार गतिज अध्ययनों की मुख्य सामग्री है, जिसमें ठोसकरण के दौरान नाभिकों का निर्माण और वृद्धि, साथ ही साथ ऊष्मा उपचार के दौरान मिश्रधातु में विलेय परमाणुओं का समरूपीकरण, वितरण और पुनर्वितरण शामिल है, जिसे फिक के पहले और दूसरे नियमों से निकाला जा सकता है।

थर्मोडायनामिक गणनाएँ सामग्री विज्ञान की समस्याओं के विश्लेषण और समझ के लिए आवश्यक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करती हैं: जीएम-एक्स आरेख, चरण आरेख, टीटीटी वक्र, सीसीटी वक्र, आदि। उनमें से, सबसे सफल कोर अनुप्रयोग चरण आरेख गणना है। चरण आरेखों को उन्हें प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों के आधार पर तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।

1, प्रायोगिक चरण आरेख: प्रायोगिक साधनों (डीएससी, डीटीए, टीजी, एक्स-रे विवर्तन, इलेक्ट्रॉन जांच सूक्ष्म क्षेत्र संरचना विश्लेषण, आदि) का उपयोग करते हुए, मुख्य रूप से द्वि- और त्रि-प्रणाली प्रणालियों के लिए।

2, सैद्धांतिक चरण आरेख, जिसे पहले सिद्धांत कम्प्यूटेशनल चरण आरेख के रूप में भी जाना जाता है, को किसी भी पैरामीटर की आवश्यकता नहीं होती है, सैद्धांतिक, कम्प्यूटेशनल चरण आरेख को प्राप्त करने के लिए एब इनिटियो विधि का उपयोग, व्यक्तिगत बाइनरी और टर्नरी सिस्टम सामग्री के डिजाइन में केवल कुछ ही रिपोर्टें होती हैं।

3, कम्प्यूटेशनल चरण आरेख, जिसका मूल सैद्धांतिक मॉडल और थर्मोडायनामिक डेटाबेस का कंप्यूटर युग्मन है। अधिकांश अंतरराष्ट्रीय स्तर पर प्रसिद्ध सॉफ्टवेयर CALPHAD मोड को अपनाते हैं, जिसमें थर्मो-कैल्क, पांडैट, फैक्टसेज, एमटीडाटा, जेमैटप्रो आदि शामिल हैं। CALPHAD मोड में विलेय की मुक्त ऊर्जा के अधिकांश विवरण उप-नियमित विलेय मॉडल को अपनाते हैं, और प्रक्रिया को चित्र 3 में दिखाया गया है, जो सिस्टम में प्रत्येक चरण की विशेषताओं पर आधारित है, थर्मोडायनामिक गुणों, चरण संतुलन डेटा, क्रिस्टल संरचना और अन्य सूचनाओं को एक में एकीकृत करता है, थर्मोडायनामिक मॉडल और मुक्त ऊर्जा अभिव्यक्ति स्थापित करता है, और फिर बहुभिन्नरूपी बहु-चरण संतुलन की थर्मोडायनामिक स्थितियों के आधार पर चरण आरेख की गणना करता है, और अंत में सिस्टम के थर्मोडायनामिक रूप से आत्म-संगत चरण आरेख और प्रत्येक चरण के थर्मोडायनामिक गुणों का वर्णन करने वाले अनुकूलित पैरामीटर प्राप्त करता है।

उदाहरण के लिए, कुई-पिंग वांग, जिंग-जून लियू, इकुओ ओनुमा एट अल. ने CALPHAD विधि का उपयोग करके Cu-Ni-Sn त्रिक प्रणाली के प्रत्येक चरण के थर्मोडायनामिक मापदंडों का मूल्यांकन किया। उनके गणना किए गए परिणाम प्रयोगात्मक मूल्यों से अच्छी तरह से मेल खाते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। उन्होंने इस त्रिक प्रणाली में bcc चरण के क्रमबद्ध-अव्यवस्थित संक्रमण और fcc चरण के घुलनशीलता अंतराल की भी गणना की, जो कि अवक्षेपण वृद्धि और स्पिनोडल अपघटन का उपयोग करके उच्च-शक्ति और उच्च-चालकता वाले नए Cu-Sn सिस्टम के विकास के लिए महत्वपूर्ण है। और स्पिनोडल अपघटन का उपयोग करके नए Cu-आधारित मिश्र धातुओं की उच्च चालकता [3]।
गतिज गणनाएं ऊष्मागतिकी गणनाओं पर आधारित होती हैं, जो समय को एक चर के रूप में लेकर एक प्रसार गतिज मॉडल और एक परमाणु गतिशीलता डेटाबेस प्रस्तुत करती हैं, तथा बड़ी संख्या में पुनरावृत्तीय संक्रियाओं के माध्यम से समय के साथ पदार्थ की ऊष्मागतिकी स्थिति के बीच संबंध प्राप्त करती हैं।

भौतिक ऊष्मागतिकी के विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोग

किसी भी प्रणाली में, ऊष्मागतिकी, गतिज और पदार्थ संरचना पहलू निकट से संबंधित होते हैं। धातु सामग्री के सूक्ष्म संरचना और ऊष्मागतिकी गुण ठोसीकरण और ताप उपचार के दौरान उत्पन्न चरणों और सूक्ष्म संरचनाओं के विकास को प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, Al-Cu प्रणाली मिश्र धातुओं के लिए, ठोस घोल के दौरान विलेय परमाणु अतिसंतृप्त और अवक्षेपित होते हैं, जिससे गोलाकार सममित विरूपण होता है; आयु-सख्ती के दौरान, सबसे पहले GP ज़ोन बनता है, उसके बाद कम सूचकांक क्रिस्टलोग्राफ़िक तलों पर विलेय परमाणुओं का एकत्रीकरण और क्रम होता है, जिससे अंततः एक गैर-सह-दानेदार थीटा (Al2Cu) संतुलन चरण उत्पन्न होता है। जब ठोसीकरण या समरूपीकरण के दौरान उत्पन्न चरण का आकार 0.5 μm से बड़ा होता है, तो लोड होने पर इंटरफ़ेस पर अव्यवस्था प्लगिंग होती है और यह दरारों का स्रोत बन जाती है; जब आकार 0.005 और 0.05 μm के बीच होता है और इसका वितरण ठीक से फैला हुआ होता है, तो यह पुनःक्रिस्टलीकरण और दाने के विकास में बाधा डाल सकता है। निस्संदेह, तापीय और गतिज सिद्धांत अब पदार्थों के सभी क्षेत्रों में प्रवेश कर चुके हैं और एक प्रभावी सैद्धांतिक मार्गदर्शक और आवश्यक विश्लेषणात्मक उपकरण बन गए हैं।

(1) पारंपरिक इस्पात उद्योग

चीन में सबसे बड़े पेशेवर स्टील सामग्री अनुसंधान और विकास संस्थान के रूप में, आयरन एंड स्टील का जनरल रिसर्च इंस्टीट्यूट, थर्मोडायनामिक गणना विधियों और सॉफ्टवेयर को पेश करने वाले पहले संस्थानों में से एक था और उसने निकल-बचत वाले स्टेनलेस स्टील डिजाइन, वीएन माइक्रोअलॉयिंग तकनीक और एलएनजी के लिए 9 नी कम तापमान वाले स्टील में उपयोगी शोध परिणाम प्राप्त किए हैं [4]।

(2) धातु मैट्रिक्स कंपोजिट

फैन टोंगजियांग, ली जियांगुओ, सन ज़ुकिंग और अन्य ने प्रबलित चरण और मैट्रिक्स इंटरफ़ेस के बीच प्रतिक्रिया के नियंत्रण, प्रतिक्रिया ऑटोजेनस प्रबलित चरण प्रकार का चयन, समग्र प्रणाली के डिजाइन और थर्मोडायनामिक और गतिज मॉडल का उपयोग करके तैयारी प्रक्रिया पर बहुत सारे शोध किए हैं [5]। और अनुप्रयोग का एक उदाहरण यह है कि सामग्रियों के थर्मोडायनामिक की गणना विकास में बहुत मदद करती है सिंटर एचआईपी टंगस्टन कार्बाइड उत्पादन की प्रक्रिया.

(3) नेनोसामग्री

2000 में, एरिजोना स्टेट यूनिवर्सिटी, यूएसए के चेम्बरलिन ने फेरोमैग्नेट्स के महत्वपूर्ण व्यवहार के अध्ययन में नैनोथर्मोडायनामिक्स शब्द का इस्तेमाल किया, गिएबुल्टोविका, हिल एट अल ने नैनोसिस्टम्स के विकास और भौतिक गुणों से निपटने में नैनोथर्मोडायनामिक्स की महान भूमिका का प्रदर्शन किया, डालियान इंस्टीट्यूट ऑफ केमिकल के भौतिकी संस्थान में झिचेंग टैन की टीम ने भी नैनोमटेरियल की कम तापमान वाली थर्मल क्षमता पर काफी शोध किया है [6]।

(4) आकार स्मृति मिश्र धातु

लिडिजा गोमिडजेलोविक एट अल. ने मुग्गियानू मॉडल का उपयोग किया और थर्मो-कैल्क सॉफ्टवेयर का उपयोग करके 293 K पर आकार स्मृति मिश्र धातु Cu-Al-Zn के चरण आरेख की गणना करने और ऊतक गुणों का पता लगाने के लिए इसे प्रयोगों के साथ जोड़ा [7]।

इसके अतिरिक्त, Mg-आधारित हाइड्रोजन भंडारण सामग्री, ग्राफीन इंटरफेस और उनके अवशोषण गुणों में थर्मोडायनामिक कंप्यूटर सिमुलेशन से संबंधित अनुप्रयोग भी हैं।

भौतिक ऊष्मागतिकी में रुझान

लगभग कोई भी व्यावहारिक सामग्री संरचना ऊष्मागतिकीय रूप से स्थिर नहीं है, और प्रसार, चरण परिवर्तन, अव्यवस्था उत्पादन, और गति, साथ ही साथ सामग्री विरूपण और फ्रैक्चर, विभिन्न असंतुलितता को शामिल करते हैं, जिसके लिए वास्तविक स्थिति का अनुकरण करने के लिए इसे अधिक यथार्थवादी बनाने के लिए व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अन्य सिद्धांतों के साथ CALPHAD मॉडल को संयोजित करने की आवश्यकता होती है, जैसे: प्रथम-सिद्धांतों, घनत्व घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) और मल्टीफ़ेज़ फ़ील्ड विधि (MFM) के साथ; कठोरता, ताकत, बढ़ाव आदि की भविष्यवाणी करने के लिए भौतिक धातुकर्म मॉडल के साथ संयोजन; सीसीटी, टीटीटी चरण संक्रमण वक्र, अनाज का आकार, आकारिकी आदि की गणना करने के लिए कोशिकाओं और अवक्षेपित चरणों के न्यूक्लियेशन, विकास और मोटेपन के मॉडल को पेश करना। सामग्री गुण, जैसे सीसीटी और टीटीटी चरण संक्रमण वक्र

भविष्य में, सामग्री डिजाइन चरण को साकार करने के लिए विशेष डेटाबेस के साथ थर्मोडायनामिक्स और कैनेटीक्स सहित बहु-स्तरीय एकीकृत कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन, सामग्री के उत्पादन और तैयारी और सेवा की पूरी प्रक्रिया का अनुकरण करते हैं ताकि सामग्री के ऊतक विकास और मैक्रोस्कोपिक गुणों की भविष्यवाणी की जा सके और तैयारी प्रक्रिया के दौरान ऊतक गुणों को सटीक रूप से विनियमित किया जा सके, सामग्री थर्मल और काइनेटिक के विकास में मुख्य रुझान हैं [8,9]।

संदर्भ

[1] जू ज़ूयाओ, थर्मोडायनामिक्स ऑफ़ मैटेरियल्स, हायर एजुकेशन प्रेस, 2009

[2] दाई झानहाई, लू जिंटांग, कोंग गैंग। चरण आरेख गणना पर शोध प्रगति [जे]। जर्नल ऑफ मैटेरियल्स रिसर्च, 2006, 4(20): 94-97

[3] कुई-पिंग वांग, ज़िंग-जून लियू, युन-किंग मा, इकुओ ओनुमा, रियो-सुके काइनुमा, कियोहितो इशिदा। Cu-Ni-Sn टर्नरी सिस्टम [J] के चरण संतुलन की थर्मोडायनामिक गणना। चाइनीज जर्नल ऑफ नॉनफेरस मेटल्स, 2005(11): 202-207।

[4] डोंग एनलोंग, झू यिंगगुआंग, पान ताओ। एलएनजी [सी] के लिए 9Ni कम तापमान दबाव पोत स्टील प्लेट का विकास, राष्ट्रीय कम मिश्र धातु इस्पात वार्षिक सम्मेलन की कार्यवाही। बेइदाई: चीनी सोसायटी फॉर मेटल्स कम मिश्र धातु इस्पात शाखा, 2008:741-749

[5] फैन टोंगजियांग, झांग कांगफा, झांग डि. धातु मैट्रिक्स कंपोजिट के थर्मोडायनामिक्स और कैनेटीक्स में प्रगति[जे]. चाइना मैटेरियल्स प्रोग्रेस, 2010, 29(04): 23-27

[6] जियांग जून-यिंग, हुआंग ज़ै-यिन, एमआई यान, ली यान-फेन, युआन ऐ-कुन। नैनोमटेरियल्स की थर्मोडायनामिक्स की वर्तमान स्थिति और संभावनाएं [जे]। रसायन विज्ञान में प्रगति,2010,22(06):1058-1067।

[7] लिडिजा गोमिदज़ेलोविक, एमिना पोज़ेगा, एना कोस्टोव, निकोला वुकोविक, थर्मोडायनामिक्स और शेप मेमोरी Cu-Al-Zn मिश्र धातु का लक्षण वर्णन [जे]। नॉनफेरस मेटल्स सोसाइटी ऑफ़ चाइना के लेन-देन, 2015, 25(08): 2630-2636

[8] लिउक्स जे, ताकाकू वाई, ओहनुमा आई, एट अल. इलेक्ट्रॉनिक पैकिंग में कम्प्यूटेशनल थर्मोडायनामिक्स और काइनेटिक्स द्वारा पीबी-फ्री सोल्डर का डिज़ाइन [जे]. जर्नल ऑफ़ मैटेरियल्स एंड मेटलर्जी, 2005, 4(2): 122-125

[9] चेन क्यू, जेप्सन जे, एग्रेन जे. मल्टीकंपोनेंट सिस्टम में अवक्षेप वृद्धि के दौरान प्रसार का विश्लेषणात्मक उपचार [जे]. एक्टा मटेरियलिया, 2008, 56:1890-1896