¿Usar Mercurio como líquido de extinción para espadas?

Hay una muy buena pregunta acerca de apagar espadas en sangre de dragón:

Apagando espadas en sangre de dragón; ¿por qué?

Eso me hizo sentir curiosidad por un ejemplo más realista: Mercurio.

¿Podría usarse esta sustancia para apagar espadas con algunas propiedades mejoradas en comparación con los líquidos de enfriamiento convencionales?

Los humos tóxicos no serán un problema aquí, ya sea que existen algunas medidas de protección, o el trabajo lo realizan goblins esclavos baratos o lo que sea, así que no importa.

El punto de ebullición de Mercurio es de 357 °C, la conductividad térmica es de 8,3 W/mK. En un entorno más medieval se utilizaría agua con un punto de ebullición de 100 °C y una conductividad térmica de 0,597 W/mK, por lo que a juzgar por el las respuestas de la pregunta vinculada Mercurio daría un mejor control de la temperatura. No sé qué tipo de aceites se usan para apagar hoy en día, pero también tengo curiosidad acerca de esta comparación.

Mi conjetura inicial sobre los problemas sería la formación de amalgamas blandas en la superficie, aunque podrían pulirse si la reacción permanece en la superficie. Las espadas se pueden forjar en acero o en otros metales como el bronce si crees que abre posibilidades para reacciones interesantes.

No soy metalúrgico ni metalúrgico, pero según tengo entendido, el punto es enfriarlo rápidamente para obtener un borde duro, pero si lo enfría demasiado rápido, obtiene demasiados cristales pequeños, la hoja será quebradiza y se romperá cuando intenta recocerlo
"o el trabajo lo hacen duendes-esclavos baratos" eres material de CEO.
@Renan, ah, sí, ¡eso es exactamente lo que haría un Caótico Evil Overlord!
Esta no es una muy buena pregunta. Preguntar si los elementos del mundo real y las técnicas del mundo real van bien juntos tiene una respuesta simple si uno no puede encontrar ejemplos de su uso en la vida real: no, de lo contrario alguien ya lo estaría haciendo. Y si hay ejemplos de su uso en línea, entonces no es una cuestión de creación de mundos de ninguna manera.
Tenga en cuenta también que la velocidad requerida de cambio de temperatura depende completamente del tipo de metal: al acero con alto contenido de carbono le gustaría una velocidad (la mayoría de los herreros que conozco solo usan algún tipo de aceite vegetal), al acero con bajo contenido de carbono le gustaría una mucho más alta velocidad (es decir, agua), pero el bronce, por el contrario, necesita enfriarse muy lentamente. Cuanto más rápido enfríes el hierro/acero, más duro se vuelve. Cuanto más rápido se enfríe el bronce/latón/cobre/plata/oro, más suave se vuelve. (en general).
el punto de vapor de los aceites de extinción comerciales es aproximadamente el mismo, por lo que no hay ningún beneficio. Debe poder calentarlo a unos mil grados, antes de que tenga un beneficio real.
Lo que pasa con las amalgamas de mercurio es que no se quedan en la superficie. Deje muchos metales en contacto con el mercurio durante un par de minutos y toda la estructura adquiere la resistencia material del cartón húmedo. Y si lo apaga muy rápido y quita la capa superficial, corre el riesgo de perder algo de mercurio que penetró más profundamente, lo que infectará y debilitará toda la hoja.
@Mindwin Por otro lado, la producción de espadas no es una industria muy importante en estos días. Y en los tiempos en que lo era, tal vez el mercurio no estaba disponible/lo suficientemente barato como para ser considerado para su uso en la fabricación de espadas. Así que no estoy seguro de si tu argumento es válido.
@Mindwin, eso simplemente no es cierto. Estás tratando de establecer que apagar con cierto material es 100% fantasía o 100% del mundo real. La verdad es que puede haber muchas respuestas como "Mercurio es técnicamente perfecto, pero solo en un entorno de vapor de azufre. Podrías resolver esa pequeña parte con un encantamiento o criaturas que lo respiren de forma natural". (....O cualquiera de una miríada de palabras de forma similar.)
@ tgm1024 lo que te falta es la etiqueta de verificación de la realidad . Una vez que se ETIQUETA una pregunta como esta, mi comentario se mantiene. Las respuestas de fantasía y ciencia extraña no tienen cabida en una pregunta con esta etiqueta. La construcción de mundos puede ser un desastre, pero sigue siendo parte de la red de intercambio de pilas.
@Skyler, ¡yo mismo me había olvidado por completo de eso! Wow, eso podría ser un desastre de espada si no se fuerza al 100% rápidamente. Echa un vistazo a lo que hace con algunos otros metales.

Respuestas (9)

Mercurio es pesado. Específicamente, tiene una densidad de aproximadamente 13,5 g/cm 3 , a diferencia del acero, que varía pero generalmente ronda los 8 g/cm 3 , menos de dos tercios. (Compare también con la densidad del agua, que es 1 g/cm 3 por definición). Para apagar su espada en mercurio, necesita desplazar más de una vez y media su propio peso en mercurio, y necesita poner una cantidad correspondiente de presión sobre la hoja.

Sin embargo, el enfriamiento se realiza mientras el metal aún está caliente y es parcialmente maleable. Empujarlo en un charco de mercurio generará grandes e inesperados esfuerzos en la cuchilla justo cuando se está enfriando, lo que generalmente es algo malo. Sería terriblemente fácil torcer o romper la hoja y arruinarla.

¿Qué pasaría si colocas la espada en un pequeño espacio vacío primero y luego dejas que el mercurio fluya?
@Eth No estoy seguro de inmediato, pero aún estaría preocupado. El mercurio seguiría ejerciendo mucho peso sobre el acero, solo que desde una dirección diferente.
Entonces, cuando se usa un metal más denso como el tantalio o el tungsteno (que, por supuesto, haría que las espadas sean demasiado pesadas para empuñar), ¿podría funcionar?
@¿Y cómo se hace una fundición de tungsteno?
Um, desplazar 1,5 veces su propio peso le da la experiencia de un 50% de antigravedad. Tendrá menos estrés en muchos sentidos que simplemente flotando en el aire o suspendido en el agua (-50% es menor en magnitud absoluta que 88%). ¿Estás hablando de otra cosa? ¿Como la viscosidad?
Creo que se le está dando demasiada importancia al "estrés" que se ejerce sobre el metal aquí . Al formar una espada, no es suave como un espagueti. El metal es lo suficientemente fuerte como para que deba ser martillado o golpeado para darle forma. Poner menos presión hacia abajo sobre la cuchilla para apagarla que la presión hacia arriba que normalmente se requiere incluso para levantarla del yunque no será un problema.
@Yakk La fuerza total es la misma que el 50% de antigravedad, las tensiones son diferentes. Un submarino también tiene una flotabilidad neutra, pero aun así se arrugará cuando se sumerja a gran profundidad. En este caso, cualquier punto en el interior todavía se tira hacia abajo, sin embargo, al mismo tiempo, la superficie es empujada hacia adentro por la presión y la parte superior de la espada debe empujarse hacia abajo. No creo que sea suficiente para deformar seriamente la hoja, pero el acero podría enfriarse en una configuración pretensada, lo que podría hacer que se rompa en miles de pequeños pedazos cuando se dañe, similar al vidrio templado.
El punto de las personas que hablan sobre el efecto "antigravedad" de la flotabilidad en la hoja es: se aplica más tensión a la hoja cuando se levanta que cuando se sostiene la hoja debajo del mercurio. Habría menos estrés en la hoja mientras se enfría que si la hoja se mantuviera bajo agua o aceites minerales, no más como dice esta respuesta.
Aquí hay un video sobre lo difícil que es empujar algo a través del mercurio. ( youtube.com/watch?v=f5U63IGmy6Q ).

Si el punto de enfriamiento fuera enfriarlo tan rápido como sea humanamente posible, usaríamos nitrógeno líquido. El enfriamiento es el proceso de enfriarlo a la velocidad adecuada: cuanto más rápido se apaga, más afilada es la hoja y más frágil es la hoja. Cuanto más lento lo apagues, más suave será la hoja, pero es menos probable que se rompa. Es por eso que las katanas tienen un hamon : el borde se enfrió rápidamente en agua mientras que la parte posterior de la hoja está recubierta de arcilla y se enfría más lentamente. Esto le da a la katana un borde relativamente afilado con un respaldo más flexible y más fuerte sin usar una cantidad significativa de acero extra (el hierro/acero era raro en Japón y tenía que ser conservado, a diferencia de Europa, donde el dorso de las hojas de un solo filo era más grueso). por las mismas razones).

Por lo tanto, el objetivo de la extinción es obtener el equilibrio adecuado entre la capacidad de mantener un borde (enfriamiento rápido) y la capacidad de recibir un golpe sin romperse (enfriamiento lento). Es probable que el mercurio cause demasiados dolores de cabeza como para proporcionar algún beneficio significativo.

Además, no soy metalúrgico, pero sé que la mayoría de las reacciones mercurio-metal de las que he oído hablar no se quedan en la superficie, sino que el mercurio penetra más profundamente en el metal (ver: mercurio-aluminio, mercurio- oro, etc.) por lo que pulir cualquier problema podría no ayudar.

"Es probable que el mercurio cause demasiados dolores de cabeza" +1
Vi en un documental (para lo que sea que valga), que los herreros japoneses tenían cada uno su hamon de "marca registrada" / "firma", formado con mezclas y patrones de arcilla específicos; el hamon podría usarse para diferenciar un arma genuina de una reproducción casi perfecta. Pensé que era genial =)
Puede ser bueno tener en cuenta que esta es explícitamente la razón por la cual el aceite se usa para la mayoría de los enfriamientos rápidos en la actualidad: puede calentarlo más que el agua, por lo que hay un diferencial de temperatura más bajo y un enfriamiento más lento que con el agua. Sin un fantástico control de la temperatura de la hoja, el enfriamiento con agua puede dañar seriamente una hoja al introducir mucha tensión y puede causar una dureza excesiva (quebradiza). El aceite conduce a una hoja un poco menos dura, lo cual es bueno porque incluso el acero mal templado es bastante duro: necesita ese poco de flexión para ser duradero.
No creo que el nitrógeno líquido enfríe una hoja más rápido que el agua debido al efecto Leidenfrost.

El objetivo de la extinción es usar un disipador de calor para restar rápidamente el calor de una pieza de metal caliente, de modo que ocurra una cierta transición de fase. Cuando se aplica al acero, el enfriamiento rápido se usa para congelar una fase cristalográfica que de otro modo sería inestable, y la congelación se debe al enfriamiento rápido.

El punto de ebullición del mercurio es, como notas, más alto que el del agua. Esto implica que la congelación sería más lenta o no ocurriría en absoluto. Es posible que se desee una congelación más lenta por razones metalúrgicas (menor tensión en la estructura, mejores propiedades para el uso particular) y esta es la razón por la que a veces se usan aceites específicos, pero ningún enfriamiento simplemente desafía el propósito del enfriamiento.

Acerca de la formación de amalgama, creo que está subestimando el alcance del daño: la capa apagada es la superficial y el efecto de apagar se desvanece a medida que se profundiza, por lo que raspar la superficie eliminaría también la capa endurecida. Además, quitar una capa de un material estresado probablemente provocará grietas inducidas. Por esta misma razón, el enfriamiento del metal trabajado se realiza después de todos los pasos de eliminación de material en el proceso de producción.

El mercurio también tiene una capacidad calorífica específica mucho más baja que el agua, por lo que ciertamente no enfriará el acero tan rápido. El agua tiene una capacidad calorífica específica inusualmente alta, que es una de las razones por las que es tan útil como material :) hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/sphtt.html
El punto de ebullición no es realmente tan importante. Si bien el calor latente involucrado en la transición del agua a vapor significa que se transfiere algo más de calor, todavía depende de la capacidad calorífica del agua para que esto suceda. De hecho, es una pequeña ventaja porque si toda el agua se convirtiera en vapor, no quedaría agua y solo vapor, que es un conductor menos bueno, pero como sabemos que los trabajadores del metal del mundo real pueden apagar sin que esto suceda, es bastante discutible. ventaja en comparación con las cuestiones más apremiantes de la conductividad y la densidad.
“Por esta misma razón, el temple del metal trabajado se realiza como último paso tecnológico”. James dice que no del todo en el chat.
Apagar definitivamente no es el último paso. Después del enfriamiento, debe, al menos, templar el acero para reducir parte de la fragilidad y aliviar parte del estrés interno masivo que causa el enfriamiento, y afilar la hoja. En realidad, desea colocar la mayor parte de la cuchilla en una pieza de acero ya templada, ya que es más probable que una pieza más delgada se deforme durante el templado. La extinción definitivamente no es solo la capa superficial, sino que se extiende un poco.
@Delioth, después de apagar, se puede hacer un recocido para liberar parte del estrés, pero eso no implica la eliminación de ningún material. Lo dejé claro en mi edición.

Un par de notas: el mercurio generalmente no forma amalgamas con el hierro; consulte, por ejemplo, https://chemistry.stackexchange.com/q/28916/54697 , donde se proporciona una referencia para amalgamas de baja temperatura. Mi recuerdo es que se vendió en unidades de matraces de acero de 76 libras , por lo que uno podría pensar que el mercurio no estropeará mucho el acero. Ahora bien, si se utilizara hierro meteorológico con su contenido de níquel relativamente alto, la situación podría ser diferente; No sé.

El agua podría no ser un refrigerante tan eficaz como se podría pensar debido al efecto Leidenfrost . Sé que he metido los dedos en nitrógeno líquido durante un par de segundos sin efectos nocivos, pero hacer lo mismo con propano líquido puede ser más arriesgado si no es que dañe de inmediato. Una temperatura de ebullición más baja no implica necesariamente un enfriamiento más rápido. ¡No intentes ninguno de los dos experimentos!

Consultando a Bergman, Lavine, Incropera y Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, sexta edición, John Wiley and Sons, Nueva York, 2011, pág. 581, vemos que

norte tu ¯ D = h ¯ D k
Dónde norte tu ¯ D es el número de Nusselt promedio para un cilindro de diámetro D , h ¯ es el coeficiente de transferencia de calor promedio, y k es la conductividad térmica del fluido. Entonces una correlación para norte tu ¯ D se da como
norte tu ¯ D = { 0,60 + 0.387 R a D 1 / 6 [ 1 + ( 0.559 / PAG r ) 9 / dieciséis ] 8 / 27 } 2
por ejemplo, en 400 ° C la tabla A.5 da un número de Prandtl de PAG r = 152 para aceite de motor y PAG r = 0.0163 por mercurio. El número de Rayleigh se da en la p. 573 como
R a D = gramo β ( T s − T ∞ ) D 3 v α
Donde la aceleración gravitacional gramo = 9.81 metro / s 2 en la tierra, el coeficiente de dilatación térmica volumétrica del aceite es β = 0.70 × 10 − 3 / k mientras que para el mercurio es β = 0.181 × 10 − 3 / k , y tal vez la diferencia entre la temperatura de la superficie y la temperatura de la corriente libre es de aproximadamente T s − T ∞ = 500 k . Esperamos que la espada se aproxime razonablemente a un cilindro de diámetro D = 5 C metro Para los propósitos del análisis de flujo de calor por convección, la viscosidad cinemática del aceite es v = 10.6 × 10 − 6 metro 2 / s y por mercurio v = 0.0882 × 10 − 6 metro 2 / s y la difusividad térmica del aceite es α = 0.695 × 10 − 7 metro 2 / s y de mercurio es α = 54.05 × 10 − 7 metro 2 / s .

Conectando todos estos números para el petróleo obtenemos R a D = 5.82 × 10 8 entonces norte tu ¯ D = 136 mientras que por mercurio R a D = 2.32 × 10 8 y norte tu ¯ D = 32.8 . Pero es el coeficiente de transferencia de calor promedio el que es proporcional a la tasa de flujo de calor y, para el aceite, la conductividad térmica. k = 134 × 10 − 3 W metro ⋅ k entonces h ¯ = 364 W metro 2 k mientras que por mercurio k = 9800 × 10 − 3 W metro ⋅ k entonces h ¯ = 6430 W metro 2 k .

Los metales pueden usar sus electrones de banda de conducción para conducir calor y electricidad, por lo que parece que el mercurio podría ser 20 × tan eficaz como el aceite en la transferencia de calor por convección. Ahora, si esto es algo bueno o malo es una pregunta que debe responder el herrero.

Para una espada, usaría un valor inferior a 0,5 cm. ¿Por qué? La relevancia de un cilindro en la ecuación es sobre la distancia de una cantidad dada de material desde la superficie (donde ocurre el intercambio de calor con el exterior). Prácticamente todo el material de algo tan grande como una espada ancha clásica está a una fracción de cm de esa superficie. Dado que NuD se escala como D en la ecuación anterior, esperaríamos que todos esos valores se redujeran en un factor de 10.

No para las cuchillas.

El agua tiene una característica muy buena: hierve a 100 C, lo que le quita rápidamente una gran cantidad de calor que no sería posible con líquidos que hierven a un punto más alto.

Apagar en un líquido de ebullición de alto punto como el aceite es definitivamente una cosa, pero esto conduce a una menor dureza , algo que no querríamos para una hoja de espada.

Sin embargo, definitivamente el mercurio puede ser utilizado en otros procesos metalúrgicos directamente relacionados con el temple - remojo y revenido , que requieren temperaturas superiores a los 100 C.

Solo agregando una perspectiva de herrería: normalmente usamos aceite con un punto de inflamación alto para apagar espadas / herramientas regulares con alto contenido de carbono, porque usar agua las haría demasiado duras y es probable que se rompan. Sin embargo, es un buen punto que el mercurio puede ser útil para esos otros procesos, asumiendo reacciones químicas/adhesión mínimas entre los dos.
@HammerN'Songs gracias por su experiencia. Parece que tengo una idea equivocada del artículo de Wikipedia.

Además de los problemas de densidad y calor específico planteados en otras respuestas, el acero es susceptible a la fragilización del metal líquido . Si se expone a un metal líquido (por ejemplo, mercurio) y, al mismo tiempo, se producirá una fractura catastrófica por esfuerzo de tracción (por ejemplo, por enfriamiento).

Si está interesado en un tratamiento de acero que sea tóxico para los trabajadores, busque sales de cianuro. Ambos son una excelente manera de cementar el acero y son extremadamente tóxicos. (La carburación agrega carbono solo a la superficie, creando una pieza con una superficie resistente al desgaste más dura mientras mantiene un núcleo resistente a las grietas más suave).

Muchas respuestas que aciertan parte de la química y la metalurgia, pero que también pierden características clave o están equivocadas en algunas conclusiones (algunos hechos son correctos, pero las razones de esos hechos conducen a conclusiones equivocadas). Esto no será exhaustivo ya que no he trabajado mucho con mercurio, y no está en la biblioteca de mi casa, pero esto llenará muchos de los vacíos en otras respuestas.

El enfriamiento en aceite versus agua conduce a una dureza reducida (como indican otras respuestas), pero, contrariamente a algunas respuestas (y en alineación con otras), esto no es ni bueno ni malo específicamente.

La dureza del acero alterará la forma en que el metal interactúa con otras sustancias: si golpea un objeto más blando, lo cortará (en general), pero una mayor dureza aumenta el riesgo de astillado y rotura.

Otras respuestas indican que el acero japonés usó un endurecimiento diferencial para obtener un borde duro y un respaldo flexible, lo cual, si bien es cierto, se debió a la mala calidad del mineral de hierro y la metalurgia durante el período Tokugawa, que no mejoró significativamente hasta la Restauración Meiji en el finales de 1800, momento en el que el desarrollo de espadas había cesado en gran medida. Si bien hoy en día se pueden obtener muy buenos aceros de Japón, no es por sus minerales intrínsecamente buenos, sino a pesar de ellos. Lo contrario sucedió en España y Suecia, que tenían minerales naturales de alta calidad que conducían a aceros superiores con el mismo procesamiento. Esta es una gran parte de por qué el desarrollo de armas y armaduras fue tan diferente entre Europa Occidental y Japón. Con los aceros modernos, el endurecimiento diferencial como se ve en Japón agrega beneficios insignificantes.

Un comentario sugirió que el agua era menos eficaz para el endurecimiento debido a la tasa de absorción. Esto es incorrecto: el principal inconveniente del agua se debe a la fragilización por hidrógeno causada por la absorción de hidrógeno elemental en la matriz de acero, lo que la debilita en todos los aspectos. Para obtener la máxima dureza, querrá usar un líquido de alta conductividad térmica para congelar rápidamente la matriz en su lugar formando una proporción más alta de magnetita a austenita.

Dependiendo de las características deseadas, un "mejor" método sería el endurecimiento de los bordes con un líquido que no contenga hidrógeno y con una alta conductividad térmica (magnetita pura) combinado con una columna de acero para muelles más suave (mucho más austenita). Suponiendo que el mercurio (o la sangre de dragón) no forme una aleación (metalúrgicos, por favor intervengan si lo saben).

También tenga en cuenta que no existe el "mejor" acero, todo es una compensación. Por ejemplo, si tuviera que hacer mi propia espada desde cero, no hay forma de que pruebe cualquier tipo de hoja laminada o soldada con patrón, sino que solo consiga un buen mineral sueco o español y forje una hoja de monoacero y sea feliz con ella como es. Los pasos adicionales serían mejores, pero no valen la pena. Si está interesado, diferentes aceites tienen diferente conductividad térmica y producirán hojas de diferente dureza, pero recuerde que la verdadera razón para usar aceite en lugar de agua es evitar la fragilización por hidrógeno, no el enfriamiento lento, ya que siempre puede solucionarlo mediante el recocido. (que se requiere bajo todas las circunstancias de todos modos).

No

El mercurio no ofrece ninguna ventaja sobre los aceites y tiene muchos inconvenientes moe. El punto de vapor del mercurio es más bajo que el de muchos aceites de enfriamiento, por lo que no puede calentarse más que el aceite. Enfriar más rápido no ofrece ningún beneficio si todavía está enfriando a la misma temperatura, de hecho, lo empeora. Conduce a fracturas por tensión, incluso el agua se enfría demasiado rápido para aceros de mejor calidad, y la conductividad térmica del agua es casi un orden de magnitud menor.

La toxicidad no se puede agitar a mano, ya sea que el enfriamiento sea un proceso técnico, no puede ser realizado por mano de obra no calificada y matará a su mano de obra calificada muy rápidamente. No existe una protección medieval contra el vapor de mercurio.

Por último, obtener suficiente mercurio para apagar una cuchilla costaría más que un pequeño ejército, los minerales de mercurio contienen cantidades muy pequeñas de mercurio y no son fáciles de procesar.

He hecho varias espadas y las he reparado muchas veces. He probado varios métodos de extinción, pero nada mejor que tirarlo en una corriente de flujo rápido. La única espada comparable era una espada de clip tosca que hice apresuradamente con chatarra de acero dulce de un sitio de construcción usando un molde tallado en un bloque de pizarra y templado en el mar. Normalmente endurezco mis espadas en una mezcla de carbón, heno y hueso de animal. El resultado final fue tan bueno como cualquier espada EN45 que tenga.

¿Usar Mercurio como líquido de extinción para espadas?
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