تويت
انصهار
Fusion - Fusion
الانصهار
الانصهار fusion هو انتقال جسم من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وعكسه التصلب solidification.
تحكم ظاهرةَ الانصهار قوانينُ بسيطة إذا كان الجسم الصلب جسماً نقياً متبلوراً. ففي ضغط معين (ض) تنصهر بلورة الجسم في درجة حرارة محددة (دم) تدعى درجة حرارة الانصهار أو نقطة الانصهار. ويحدث التبلور cristallisation في هذا الضغط نفسه ودرجة الحرارة نفسها، فتكون البلورة والسائل في الشرطين ض، دم جملة ثنائية الطور في توازن أحادي المتغير univariant تحكمه العلاقة تا (د، ض) =0 ، وبرسم التابع بدلالة (د) و (ض) ينتج منحنٍ يدعى منحني انصهار الجسم النقي. ويكون هذا المنحني ذا ميل موجب إذا ازداد حجم الجسم بالانصهار، وهذه هي الحالة العامة. غير أن هناك أجساماً كالجليد والبزموت يرافق انصهارَها نقصان في الحجم، ويكون ميل منحني انصهارها سالباً. وفي جميع الأحوال يعد هذا الميل مهماً إذا ما قورن بميل المنحنيات الأخرى لتغير الحالة، فهو يساوي 131كغ على السنتمتر المربع لكل درجة حرارة من أجل الجليد العادي بالقرب من درجة الصفر سلسيوس. وتعتمد درجة حرارة الانصهار في ضغط معين، وليكن الضغط الجوي مثلاً، على طبيعة الجسم اعتماداً كبيراً.
تتعلق درجة حرارة الانصهار بالضغط الخارجي ض، وتمثل هذه العلاقة في مخطط حالة المادة النقية، بمنحني الانصهار (منحني وجود الطورين الصلب والسائل كما في الشكل 1)
تتحدد العلاقة بين درجة الانصهار والضغط من اتجاه التغيرات الحجمية (Δحم ) عند الانصهار ويرافق انصهارَ المادة في أغلب الحالات ازدياد حجمها، فإذا حدث ذلك فان ازدياد الضغط يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الانصهار. إلا أن الحجم ينقص عند الانصهار في حالة بعض المواد كالماء وبعض المعادن وأشباه المعادن على سبيل المثال (انظر الشكل).
يرافق الانصهارَ أيضاً تغير في الخواص الفيزيائية للمواد وتزداد الأنتروبية[ر] entropie (ويدل هذا على اختلال انتظام البنية البلورية للمادة). وتزداد السعة الحرارية والمقاومة الكهربائية، يستثنى من ذلك بعض أشباه المعادن (البزموت Bi والأنتموان Sb) وأنصاف النواقل (جرمانيوم Ge) التي تكون ناقليتها الكهربائية أعلى في الحالة السائلة. وتهبط عند الانصهار مقاومة الانزياح إلى الصفر فلا تستطيع الأمواج العرضانية أن تنتشر في الصهارة، وتتناقص سرعة انتشار الأمواج الطولانية كالأمواج الصوتية مثلاً.
ويعد الانصهار، وفق تصورات الحركة الجزيئية، أثراً لشيء آخر. فعند تسخين الجسم البلوري تزداد طاقة اهتزاز ذراته. مما يؤدي إلى ازدياد درجة حرارة الجسم وبدء ظهور أنواع مختلفة من العيوب في البلورة (عقد غير ممتلئة في الشبكة البلورية، عدم انتظام الشبكة، وتوغل الذرات بين عقدها وغير ذلك من العيوب).
حرار ة الانصهار
يرافق الانصهارَ امتصاص للحرارة، ويمكن باستخدام المسعر قياس كمية حرارة الانصهار المستترة latente وهي بالتعريف: كمية الحرارة التي ينبغي تقديمها إلى واحدة الكتلة من الجسم الصلب كي ينصهر في درجة حرارة وضغط ثابتين، كما يمكن حسابها أيضاً من علاقة كلابيرون Clapeyron:
حيث Lf: حرارة الانصهار المستترة، T: درجة حرارة الانصهار المطلقة في الضغط المحدد، Ul و US: الكتلة الحجمية للجسم الصلب والسائل على الترتيب،
الإشارة نفسها دائماً. وبما أن التحول يتم عند درجة حرارة ثابتة isotherme وضغط ثابت isobare فإن Lf تدل أيضاً على تغير الأنطلبية [ر] enthalpie الذي يرافق الانصهار. ولما كان تغير الأنتروبية 
فيكون تغير الطاقة الحرة معدوماً ΔG=ΔH-TΔS، وهذا ما يعبر عن التوازن بين الطورين الصلب والسائل عند الانصهار.
فرط الانصهار
كثيراً ما يحدث، عند تبريد سائل، أن تنخفض درجة حرارته إلى ما دون درجة حرارة تجمده من غير أن يحدث التصلب، فيقال إن هناك تأخراً عن التبلور، وأن السائل في حالة فرط الانصهار surfusion، وهي حالة شبه استقرار metastable يمكن أن تتوقف بالخض أو بإدخال بلورة جسم صلب، وعندئذ يمكن أن ترتفع درجة الحرارة من جديد إلى(دم).
إن فرط الانصهار ظاهرة عامة (التأخر عن الانصهار retard à la fusion الذي لا يحدث)، إلا أن النزوع إلى الحفاظ على حالة فرط الانصهار نزوع يتغير بتغير الأجسام، وهكذا يمكن للماء والكبريت والفسفور الأبيض إبداء حالات فرط الانصهار في حدود عدة عشرات من درجات الحرارة. ويمكن للغليسرين (دأ =18ْس) أن يبقى في حالة فرط الانصهار إلى ما لا نهاية عند غياب التجمد. وإذا كانت حالة فرط الانصهار لسائل ما مهمة فإنه يتخذ في درجة حرارة منخفضة مظهر الزجاج نظراً لازدياد لزوجته ازدياداً كبيراً، ففي هذه الحالة الزجاجية يحتوي السائل المفرط في انصهاره على «بزور» germes متبلورة صغيرة جداً، إلا أن هذه البزور لا تستطيع التنامي. وإذا زيدت درجة الحرارة زيادة سريعة إلى قيمة لأدنى من دأ بقليل تضخمت هذه «البزور» بوجه عام وزال التزجج أي حدوث التبلور.
الانصهار في التعدين
يتغير طور المعادن النقية وبعض السبائك الخليطة (الأشابات) ذات التراكيب المحدودة كمغايرات التحول eutectiques (ومغاير التحول صفة مزيج كيمياوي ينصهر في درجة حرارة ثابتة هي دون درجة حرارة انصهار كل من مركّباته). والمركبات ذات النسب المحددة، عند تسخينها في درجة حرارة ثابتة (نقطة الانصهار) في الضغط الجوي النظامي. ويظهر انصهار السبائك الخليطة تدريجياً في مجال من درجات الحرارة. وقد وضعت مخططات توازن الطور الصلب مع صهارته لسبائك خليطة ثنائية أو ثلاثية على شكل منحنيين، يسمى أحدهما منحني الصلابة solidus، وهو يحدِّد بدايةَ الانصهار، ويسمى الثاني منحني السيولة liquidus وهو يحدد نهاية الانصهار. وينجز الانصهار وفقاً للأغراض التعدينية إما بتحويرات كيمياوية أو دون تحويرات كيمياوية.
عمليات الانصهار المنجزة بتحويرات كيمياوية: هذه العمليات هي أساس كثير من المعالجات عند إعداد المعادن بدءاً من فلزاتها (خاماتها). فالانصهار المُرجِع يحكم جوهر سير الفرن العالي في صناعة الحديد وذلك بفعل المرجعات وأكسيد الكربون والكربون (الكوك) في فلز الحديد، مما يقود إلى الحصول على حديد الصب الذي هو خليطة من الحديد والكربون في الحالة السائلة. وفي مصنع الفولاذ يحوَّل حديد الصب إلى فولاذ بالانصهار المؤكسِد الذي يحذف الجزء الأعظم من الكربون.
وفي الكثير من عمليات الإعداد في التعدين يُلجَأ إلى طرائق انصهار خاصة كالانصهار المكوّن للخبث (فصل شوائب الركاز بتكوين خبث سيليسي)، وكالانصهار المكبْرِت (تكون كبريتيد معدني بإضافة الجص)، وكالانصهار المكربن، والانصهار مع حدوث تفاعل متبادل ما بين مركبين (كالتفاعل بين أكسيد النحاس وكبريتيده للحصول على النحاس الخام).
عمليات الانصهار المنجزة من دون تحوير كيمياوي أوبتحوير كيمياوي ضئيل وثانوي: يلجأ إلى هذه العمليات في إعداد المعادن ومَحْصها سواء بغية إغناء الركاز بحذف شوائبه المعدنية الأكثر قابلية للانصهار أو بغية فصل طورين مختلفي قابلية الانصهار (طريقة التسييل أو التعرق) في سبيكة خليطة، أو فصل معدنين غير قابلين للامتزاج في الحالة السائلة.
يمارس أكثر عمليات الانصهار شيوعاً دون تحوير كيمياوي في سبك صُبّة المعادن النقية أو إعداد سبائك خليطة في الحالة السائلة، وصب السبائك أو القطع المقوْلبة. وعند تحضير سرير الانصهار أي عندما تكوِّن بنية الحمولات المراد صهرها، يجب أن يؤخذ بالحسبان طبيعة المعادن والسبائك الخليطة وشكلها (السبائك، سبائك الفولاذ أوالحديد، والسُّقاطات والقطع المستعادة والقُشارات) وحالة نظافتها (غياب الأجسام الدسمة والرمل والفلزات والنداوة). كما يجب أن تعوِّض كمياتُ المعادن ونسبُها في الحمولات «الفقدَ بالنار» بتفاعلات الأكسدة الثانوية وتكوّن الخبث والتطاير.
وتخضع رتبةُ تغيير المكونات وسير حلقة التسخين حتى الانصهار لموجبات متناقضة أحياناً، كالحصول على انصهار سريع لتجنب الأكسدة أو الحد منها أو لتجنب إفساد الحمولات، وكالتسخين التدريجي والحفاظ على المكونات في حالة الانصهار مدة كافية قبل الصب لإتاحة المجال لعناصر المغطس كي تنتشر وتتجانس، وكاتخاذ التدابير كيلا يتلوث المغطس بالتفاعل مع الجو (الهواء اللهب)، ولا يتخزَّف قعر sole الفرن وبوتقة الانصهار وجيب الصب.
وقد قاد وجوب مراعاة تنفيذ جميع هذه التدابير في إعداد السبائك الخليطة الجيدة (الفولاذ الخاص للمُدْرجات rollings) أو المعادن الفعالة (التيتانيوم، الزِرْكونيوم، الأورانيوم) إلى تحقيق طرائق انصهار خاصة كالانصهار في جو حافظ مؤلف من الآزوت أو الآرغون في جو مخلخل أو في الفراغ (في ضغط منخفض يراوح بين 0.01مم و3مم زئبق)، في أفران ذات تحريض. ويمارس الانصهار بالقوس الكهربائية في الفراغ أو في الضغط الجوي بطريقة المسرى المستهلك المؤلف من المعدن أو السبيكة المراد صهرها، وذلك بتفجير القوس بين هذا المسرى وسطح المغطس.
صالح قادري
Fusion - Fusion
الانصهار
الانصهار fusion هو انتقال جسم من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وعكسه التصلب solidification.
تحكم ظاهرةَ الانصهار قوانينُ بسيطة إذا كان الجسم الصلب جسماً نقياً متبلوراً. ففي ضغط معين (ض) تنصهر بلورة الجسم في درجة حرارة محددة (دم) تدعى درجة حرارة الانصهار أو نقطة الانصهار. ويحدث التبلور cristallisation في هذا الضغط نفسه ودرجة الحرارة نفسها، فتكون البلورة والسائل في الشرطين ض، دم جملة ثنائية الطور في توازن أحادي المتغير univariant تحكمه العلاقة تا (د، ض) =0 ، وبرسم التابع بدلالة (د) و (ض) ينتج منحنٍ يدعى منحني انصهار الجسم النقي. ويكون هذا المنحني ذا ميل موجب إذا ازداد حجم الجسم بالانصهار، وهذه هي الحالة العامة. غير أن هناك أجساماً كالجليد والبزموت يرافق انصهارَها نقصان في الحجم، ويكون ميل منحني انصهارها سالباً. وفي جميع الأحوال يعد هذا الميل مهماً إذا ما قورن بميل المنحنيات الأخرى لتغير الحالة، فهو يساوي 131كغ على السنتمتر المربع لكل درجة حرارة من أجل الجليد العادي بالقرب من درجة الصفر سلسيوس. وتعتمد درجة حرارة الانصهار في ضغط معين، وليكن الضغط الجوي مثلاً، على طبيعة الجسم اعتماداً كبيراً.
 |
تتحدد العلاقة بين درجة الانصهار والضغط من اتجاه التغيرات الحجمية (Δحم ) عند الانصهار ويرافق انصهارَ المادة في أغلب الحالات ازدياد حجمها، فإذا حدث ذلك فان ازدياد الضغط يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الانصهار. إلا أن الحجم ينقص عند الانصهار في حالة بعض المواد كالماء وبعض المعادن وأشباه المعادن على سبيل المثال (انظر الشكل).
يرافق الانصهارَ أيضاً تغير في الخواص الفيزيائية للمواد وتزداد الأنتروبية[ر] entropie (ويدل هذا على اختلال انتظام البنية البلورية للمادة). وتزداد السعة الحرارية والمقاومة الكهربائية، يستثنى من ذلك بعض أشباه المعادن (البزموت Bi والأنتموان Sb) وأنصاف النواقل (جرمانيوم Ge) التي تكون ناقليتها الكهربائية أعلى في الحالة السائلة. وتهبط عند الانصهار مقاومة الانزياح إلى الصفر فلا تستطيع الأمواج العرضانية أن تنتشر في الصهارة، وتتناقص سرعة انتشار الأمواج الطولانية كالأمواج الصوتية مثلاً.
ويعد الانصهار، وفق تصورات الحركة الجزيئية، أثراً لشيء آخر. فعند تسخين الجسم البلوري تزداد طاقة اهتزاز ذراته. مما يؤدي إلى ازدياد درجة حرارة الجسم وبدء ظهور أنواع مختلفة من العيوب في البلورة (عقد غير ممتلئة في الشبكة البلورية، عدم انتظام الشبكة، وتوغل الذرات بين عقدها وغير ذلك من العيوب).
حرار ة الانصهار
يرافق الانصهارَ امتصاص للحرارة، ويمكن باستخدام المسعر قياس كمية حرارة الانصهار المستترة latente وهي بالتعريف: كمية الحرارة التي ينبغي تقديمها إلى واحدة الكتلة من الجسم الصلب كي ينصهر في درجة حرارة وضغط ثابتين، كما يمكن حسابها أيضاً من علاقة كلابيرون Clapeyron:
 |
| و |  |
ميل منحني الانصهار. ولما كانت Lf موجبة دائماً فإنه يكون للمقدارين U1-US و | |
فيكون تغير الطاقة الحرة معدوماً ΔG=ΔH-TΔS، وهذا ما يعبر عن التوازن بين الطورين الصلب والسائل عند الانصهار.فرط الانصهار
كثيراً ما يحدث، عند تبريد سائل، أن تنخفض درجة حرارته إلى ما دون درجة حرارة تجمده من غير أن يحدث التصلب، فيقال إن هناك تأخراً عن التبلور، وأن السائل في حالة فرط الانصهار surfusion، وهي حالة شبه استقرار metastable يمكن أن تتوقف بالخض أو بإدخال بلورة جسم صلب، وعندئذ يمكن أن ترتفع درجة الحرارة من جديد إلى(دم).
إن فرط الانصهار ظاهرة عامة (التأخر عن الانصهار retard à la fusion الذي لا يحدث)، إلا أن النزوع إلى الحفاظ على حالة فرط الانصهار نزوع يتغير بتغير الأجسام، وهكذا يمكن للماء والكبريت والفسفور الأبيض إبداء حالات فرط الانصهار في حدود عدة عشرات من درجات الحرارة. ويمكن للغليسرين (دأ =18ْس) أن يبقى في حالة فرط الانصهار إلى ما لا نهاية عند غياب التجمد. وإذا كانت حالة فرط الانصهار لسائل ما مهمة فإنه يتخذ في درجة حرارة منخفضة مظهر الزجاج نظراً لازدياد لزوجته ازدياداً كبيراً، ففي هذه الحالة الزجاجية يحتوي السائل المفرط في انصهاره على «بزور» germes متبلورة صغيرة جداً، إلا أن هذه البزور لا تستطيع التنامي. وإذا زيدت درجة الحرارة زيادة سريعة إلى قيمة لأدنى من دأ بقليل تضخمت هذه «البزور» بوجه عام وزال التزجج أي حدوث التبلور.
الانصهار في التعدين
يتغير طور المعادن النقية وبعض السبائك الخليطة (الأشابات) ذات التراكيب المحدودة كمغايرات التحول eutectiques (ومغاير التحول صفة مزيج كيمياوي ينصهر في درجة حرارة ثابتة هي دون درجة حرارة انصهار كل من مركّباته). والمركبات ذات النسب المحددة، عند تسخينها في درجة حرارة ثابتة (نقطة الانصهار) في الضغط الجوي النظامي. ويظهر انصهار السبائك الخليطة تدريجياً في مجال من درجات الحرارة. وقد وضعت مخططات توازن الطور الصلب مع صهارته لسبائك خليطة ثنائية أو ثلاثية على شكل منحنيين، يسمى أحدهما منحني الصلابة solidus، وهو يحدِّد بدايةَ الانصهار، ويسمى الثاني منحني السيولة liquidus وهو يحدد نهاية الانصهار. وينجز الانصهار وفقاً للأغراض التعدينية إما بتحويرات كيمياوية أو دون تحويرات كيمياوية.
عمليات الانصهار المنجزة بتحويرات كيمياوية: هذه العمليات هي أساس كثير من المعالجات عند إعداد المعادن بدءاً من فلزاتها (خاماتها). فالانصهار المُرجِع يحكم جوهر سير الفرن العالي في صناعة الحديد وذلك بفعل المرجعات وأكسيد الكربون والكربون (الكوك) في فلز الحديد، مما يقود إلى الحصول على حديد الصب الذي هو خليطة من الحديد والكربون في الحالة السائلة. وفي مصنع الفولاذ يحوَّل حديد الصب إلى فولاذ بالانصهار المؤكسِد الذي يحذف الجزء الأعظم من الكربون.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
عمليات الانصهار المنجزة من دون تحوير كيمياوي أوبتحوير كيمياوي ضئيل وثانوي: يلجأ إلى هذه العمليات في إعداد المعادن ومَحْصها سواء بغية إغناء الركاز بحذف شوائبه المعدنية الأكثر قابلية للانصهار أو بغية فصل طورين مختلفي قابلية الانصهار (طريقة التسييل أو التعرق) في سبيكة خليطة، أو فصل معدنين غير قابلين للامتزاج في الحالة السائلة.
يمارس أكثر عمليات الانصهار شيوعاً دون تحوير كيمياوي في سبك صُبّة المعادن النقية أو إعداد سبائك خليطة في الحالة السائلة، وصب السبائك أو القطع المقوْلبة. وعند تحضير سرير الانصهار أي عندما تكوِّن بنية الحمولات المراد صهرها، يجب أن يؤخذ بالحسبان طبيعة المعادن والسبائك الخليطة وشكلها (السبائك، سبائك الفولاذ أوالحديد، والسُّقاطات والقطع المستعادة والقُشارات) وحالة نظافتها (غياب الأجسام الدسمة والرمل والفلزات والنداوة). كما يجب أن تعوِّض كمياتُ المعادن ونسبُها في الحمولات «الفقدَ بالنار» بتفاعلات الأكسدة الثانوية وتكوّن الخبث والتطاير.
وتخضع رتبةُ تغيير المكونات وسير حلقة التسخين حتى الانصهار لموجبات متناقضة أحياناً، كالحصول على انصهار سريع لتجنب الأكسدة أو الحد منها أو لتجنب إفساد الحمولات، وكالتسخين التدريجي والحفاظ على المكونات في حالة الانصهار مدة كافية قبل الصب لإتاحة المجال لعناصر المغطس كي تنتشر وتتجانس، وكاتخاذ التدابير كيلا يتلوث المغطس بالتفاعل مع الجو (الهواء اللهب)، ولا يتخزَّف قعر sole الفرن وبوتقة الانصهار وجيب الصب.
وقد قاد وجوب مراعاة تنفيذ جميع هذه التدابير في إعداد السبائك الخليطة الجيدة (الفولاذ الخاص للمُدْرجات rollings) أو المعادن الفعالة (التيتانيوم، الزِرْكونيوم، الأورانيوم) إلى تحقيق طرائق انصهار خاصة كالانصهار في جو حافظ مؤلف من الآزوت أو الآرغون في جو مخلخل أو في الفراغ (في ضغط منخفض يراوح بين 0.01مم و3مم زئبق)، في أفران ذات تحريض. ويمارس الانصهار بالقوس الكهربائية في الفراغ أو في الضغط الجوي بطريقة المسرى المستهلك المؤلف من المعدن أو السبيكة المراد صهرها، وذلك بتفجير القوس بين هذا المسرى وسطح المغطس.
صالح قادري