Viktiga målsättningar med detta delkapitel

Relevanta dokument
Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.5 Polymerers termodynamik. [Mitchell 2.3]

Polymerers termodynamik Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.5 Polymerers termodynamik. Polymerer vs.

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.5 Polymerers termodynamik. Polymerers termodynamik

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.5 Polymerers termodynamik. [Mitchell 2.3]

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.5 Polymerers termodynamik. [Mitchell 2.3]

Materialfysik vt Kinetik 5.6. Nukleation och tillväxt. [Mitchell ]

5.4.1 Nukleation Materialfysik vt Kinetik 5.6. Nukleation och tillväxt. Nukleation av en fast fas. Nukleation av en fast fas

YTKEMI. Föreläsning 8. Kemiska Principer II. Anders Hagfeldt

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Materialfysik vt Materials struktur 3.5 Nanomaterials struktur. Definition på nanomaterial

Definition på nanomaterial Materialfysik vt Materials struktur 3.5 Nanomaterials struktur

Räkneövning 2 hösten 2014

Materialfysik vt Materials struktur 3.5 Nanomaterials struktur

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.1 Fasdiagram

Ytor och gränsskikt, Lektion 1 Ytspänning, kapillaritet, ytladdning

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

Fö. 9. Laddade Kolloider. Kap. 6. Gränsytor med elektrostatiska laddningar

Kapitel V. Praktiska exempel: Historien om en droppe. Baserat på material (Pisaran tarina) av Hanna Vehkamäki

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. Det elektromagnetiska spektret

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Innehållsförteckning. I. Introduktion och första grundlagen I.1. Överblick och motivation

FÖRELÄSNING 9. YTAKTIVA ÄMNEN OCH SJÄLVASSOCIERANDE SYSTEM.

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

TFKI 30 Yt och kolloidkemi YT OCH KOLLOIDKEMI

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

14. Sambandet mellan C V och C P

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

X. Repetitia mater studiorum

X. Repetitia mater studiorum. Termofysik, Kai Nordlund

Övningstentamen i KFK080 för B

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism

Räkneövning 5 hösten 2014

Allmänt om ternära fasdiagram Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.3 Ternära fasdiagram

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.3 Ternära fasdiagram. [Mitchell 2.2; Callister 12.7, mm]

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Materialfysik vt Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. [Mitchell 3.0; lite ur Porter-Easterling 5.4]

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

X. Repetitia mater studiorum

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Kommer rå datorkapacitet att klå människohjärnan i att beskriva naturen?

Kap. 7. Laddade Gränsytor

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

9. Termodynamiska potentialer

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

4. Kondenserade fasers termodynamik 4.1 Fasdiagram

Elektrodynamik. Elektrostatik. 4πε. eller. F q. ekv

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

r 2 C Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

Materialfysik2010 Kai Nordlund

Grundläggande termodynamik Materialfysik vt Kondenserade fasers termodynamik 4.1 Fasdiagram. Endoterma och exoterma processer

9. Materiens magnetiska egenskaper. 9.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism

9. Materiens magnetiska egenskaper

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-2 Termodynamik C. Norberg, LTH

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

14. Sambandet mellan C V och C P

Tentamen i Termodynamik Q, F, MNP samt Värmelära för kursen Värmelära och Miljöfysik 20/8 2002

10. Kinetisk gasteori

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Hydrodynamik Mats Persson

Materiens Struktur. Lösningar

Materia Sammanfattning. Materia

Material föreläsning 4. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

4. Atomers växelverkningsmodeller: varför hålls material ihop

Kemiska bindningar. Matti Hotokka

Fö. 11. Bubblor, skum och ytfilmer. Kap. 8.

Föreläsning 14: Termodynamiska processer, värmemaskiner: motor, kylskåp och värmepump; verkningsgrad, Carnot-cykeln.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Carl Lundholm MVE475 Inledande Matematisk Analys

Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. [Callister, etc.]

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

3.7 Energiprincipen i elfältet

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen. Kursmaterialet: Jens Pomoell 2011, Mikael Ehn

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Fysik TFYA68. Föreläsning 5/14

Termodynamiska potentialer Hösten Assistent: Frans Graeffe

Maxwell insåg att dessa ekvationer inte var kompletta!! Kontinutetsekvationen. J = ρ

Kinetisk Gasteori. Daniel Johansson January 17, 2016

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

N = p E. F = (p )E(r)

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

Poissons ekvation och potentialteori Mats Persson

Transkript:

Viktiga målsättningar med detta delkapitel Känna till begreppen ytenergi och ytspänning Förstå den stora rollen av ytor för nanomaterials egenskap Känna till storleksberoendet av nanopartiklars smältpunkt Termofysik, Kai Nordlund 2017 1

IV.4. Ytors och gränssnitts termodynamik [Delvis från Hanbücken, Mechanical Stress on the Nanoscale; B. S. Mitchell: Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers] N.b. Detta stycke följer ungefär kapitel 4.6. i kursen för materialfysik. Termofysik, Kai Nordlund 2017 2

IV.4.1. Ytenergi Den matematiska behandlingen av material har tillsvidare antagit att de inte har några ytor eller gränsytor med andra material. Detta kan alternativt tolkas som att de är oändligt stora. I verkligheten kan naturligtvis inget material vara oändligt stort, ytan slutar nånstans, antingen vid en yta eller gränsyta. Strängt taget är det alltid fråga om en gränsyta, utom om materialet avgränsas mot perfekt vakuum. Men ofta är en gas inverkan på fasta material så svag, att man kan betrakta en gränsytsväxlverkan mellan fast form och gas så svag, att man kan bara tala om en yta (vilket alltså innebär att det inte gör någon skillnad vilken gas materialet avgränsas mot). Vi betraktar först en yta mot vakuum För att atomerna på ytan saknar några bindningar, har de högst sannolikt högre potentialenergi än bulkatomerna. Det krävs alltså energi för att forma en yta. Denna s.k. ytenergi γ definieras med det reversibla arbetet dw som krävs per ytarea da för att forma en yta: dw = γda (1) Termofysik, Kai Nordlund 2017 3

vilket konceptuellt motsvarar att man splittar upp en bit material med en oändligt skarp kniv (dvs. ingen energi förloras till friktion) och mäter arbetet som krävs för detta: Då operationen bildar 2 ytor med arean A, är i detta fall γ = W 2A (2) Notera alltså att ytenergin har enheter av Energi, så namnet är lite missvisande. Area Från första grundlagen och entalpins definition får man för fallet då yttre trycket P = 0 du = dq + dw samt dh = du = dw = du dq = dh T ds = dg (3) Termofysik, Kai Nordlund 2017 4

och alltså gäller för ytenergin γ = ( ) G A T,P,N i (4) där alltså också partikeltalet anses vara konstant. Ytenergin är alltså egentligen en fri energi. Ytenergin kan alltså delas i komponenter γ = H s T S s (5) som definierar ytentalpin H S och ytentropin S S. Alla dessa är alltså definierade per ytarea! Ytentalpin är ekvivalent med sublimeringsvärmet (eller förångningsvärmet) och kan erhållas direkt från dessa. Typiska värden för ytenergin är [Mitchell]: Vätskeformiga kolväten: 0.001 0.002 ev/å 2, salter och glas 0.006 0.04 ev/å 2, metaller och kovalenta material 0.006 0.3 ev/å 2 På atomär nivå är det enkelt att förstå varför ytspänning uppkommer, med ett s.k. bond counting Termofysik, Kai Nordlund 2017 5

argument. Då man skapar ytan, bryter man alla kemiska bindningar inne i materialet. Då bindningarna är energetiskt fördelaktiga att forma, krävs det energi att bryta dem. Brutna bindningar Därmed är alltså arbetet och ytenergin positiva storheter, och det energetiskt ofördelaktigt att forma en yta. Ett relaterat begrepp är ytspänning ( surface tension ) som ju är en vardagligt välkänd effekt. Ytspänning är inte exakt samma sak som ytenergi, men har ett nära samband med det som kan härledas via elastivitetsteori. Förenklat [ Hanbücken, ekv. 2.36] kan detta skrivas (för ett material där Termofysik, Kai Nordlund 2017 6

kristallriktningar inte har betydelse, ett s.k. isotropiskt material): S = γ ε (6) där S är ytspänningen ( surface stress ), och ε är förändringen i bindningslängden hos atombindningarna i översta lagret jämfört med längden i bulkmaterial. Det viktiga här är att förstå att även om det yttre trycket P = 0, har ytor en inherent ytspänning 0. Termofysik, Kai Nordlund 2017 7

IV.4.2. Gränsytsenergi En gränsytenergi definieras helt analogt med ytenergin som arbetet som krävs för att forma en gränsyta För gränsytan mellan två material A och B kan man skriva G interf,ab = W AB 2A (7) där W AB är arbetet som krävs för att dra isär ämnena, adhesionsarbetet. För att definiera en gränsytenergi noterar man att i denna process bildas ju också 2 fria ytor A och B. Därmed är det naturligt att skriva G interf,ab = W AB 2A = γ A + γ B + γ AB (8) vilket definierar gränsytenergin γ AB. Notera att vid denna punkt är terminologin inte alltid konsistent. En del källor kallar storheten G interf,ab direkt för gränsytenergi. Termofysik, Kai Nordlund 2017 8

IV.5. Nanomaterials termodynamik Med nanomaterial avses material där åtminstone en dimension av materialet har en dimension i området 1 100 nm. En av de mest grundläggande orsakerna till att de är av intresse är att de har en hög andel yta, och detta kan leda till stora förändringar i materialets egenskaper. Vi gör en enkel beräkning om detta för sfäriska partiklar med radien r. För dessa är förhållandet f mellan ytarea A och volym V givetvis f = 4πr2 4πr 3 /3 = 3 r (9) Då r 0 går f. Vi beräknar nu hur detta påverkar energin i materialet. I bulk är bindningsenergin per atom per definition den kemiska potentialen µ, som vid 0 K (då ingen entropi inkluderas är känt som kohesionsenergin E coh. Men vid en yta förlorar man alltså energi iom. ytenergin γ proportionerligt mot ytarean A = 4πr 2. Termofysik, Kai Nordlund 2017 9

D.v.s. kohesionsenergin för en nanopartikel med N atomer är E T OT,nano coh = NE coh γa (10) För att få en kontinuumekvation skriver vi om antalet atomer med atomdensiteten n: så man får eller per atom n = N V E T OT,nano coh = N = nv = n4πr3 3 E nano coh (11) = n 4πr3 3 E coh γ4πr 2 (12) = E coh 3γ nr Förändringen av detta jämfört med samma andel material i bulk (för vilken ingen ytenergi förekommer) blir: (13) f E = ET OT,nano coh E T OT,bulk coh = n4πr 3 3 E coh γ4πr 2 n 4πr3 3 E coh = 1 3γ nre coh (14) Termofysik, Kai Nordlund 2017 10

T.ex. för koppar är E coh = 3.54 ev/atom, atomdensiteten 0.0843 atomer/å 3, och ytenergin ungefär 0.12 ev/å 2 [Vitos, Surface Science 411 (1998) 186]. Insättning av dessa värden i ekvationerna 13 och 14 ger (med 5 siffrors noggrannhet): Radie r Kohesionsenergi/atom Förhållande till bulk f E 1 m 3.54000 1.00000 1 mm 3.54000 1.00000 1 µm 3.53957 0.99988 1 nm 3.112953 0.87937 Alltså: ännu för 1 mikrometer är skillnaden till bulk helt betydelselös, men vid 1 nm börjar den bli betydande! Denna beräkning är givetvis en appoximation, för det är inte alls klart att γ är konstant vid små storlekar. γ är ju definierad för en flat yta, men då krökningsradien för ytan är jämförbar med atomära avstånd, är det sannolikt att γ ökar. Vi betraktar ännu effekten av kohesionens försvagande på smältpunkten hos materialet. Det är naturligt att anta att smältpunkten T melt hos ett material är proportionerlig mot dess kohesionsenergi E coh, och jämförelse av olika material visar att som första approximation gäller detta. Termofysik, Kai Nordlund 2017 11

För ett nanomaterial betyder detta nu att då kohesionsenergin sjunker, måste också smältpunkten sjunka! Jämförelse med ekvation 13 ger genast att T nano melt = T bulk melt A r (15) där A är en konstant. Denna härledning gjordes först av Pawlow 1909 [Pawlow, Z. Phys. Chemie 65 (1909) 1 och 545], och för nanomaterial visades den stämma år 1976 [Buffat and Borel, Phys. Rev. A. 13 (1976) 2287]: Termofysik, Kai Nordlund 2017 12

För nanotrådar kan man göra en liknande härledning, och får ett liknande resultat åtminstone i datorsimuleringar [Granberg et al, J. Appl. Phys. 115 (2014) 213518]: Termofysik, Kai Nordlund 2017 13

(Symbolerna visar olika utgångsformer av tråden). Vi noterar till slut att i verkligheten är nanopartiklars smältningsbeteende ännu betydligt mer komplicerat än detta. I vissa material och för vissa storlekar kan smältpunkten tom. öka! Och i själva verket är smältpunkten inte ens en väldefinierad storlek. Termofysik, Kai Nordlund 2017 14

I en studie om Cu-nanopartiklar inne i en Co-matris såg vi att smältningen kan ske i hela 4 olika faser [J. A. Pakarinen et al, Phys. Rev. B 79 (2009) 085426]. På kursens hemsida finns 4 animationer om detta, som också visas och diskuteras på föreläsningen. cunanoclusmelt_mdmorse.gif mechanism_i_nc2nm_1100k.avi mechanism_ii_nc2nm_1400k.avi mechanism_iii_nc2nm_1600k.avi mechanism_iv_nc4nm_1700k.avi Termofysik, Kai Nordlund 2017 15

Vad har du åtminstone lärt dig i detta kapitel? Du kan definitionerna på begreppen ytenergi och ytspänning Förstå den stora rollen av ytor för nanomaterials egenskap Du kan härleda storleksberoendet av nanopartiklars smältpunkt Termofysik, Kai Nordlund 2017 16