冶金物理化学

冶金物理化学学习指导书冶金热力学部分北京科技大学冶金学院2004年10月PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建目录课程说明...................................................................................................................................................................................教学大纲及其学习方法................................................................................................................................................................第一部分：冶金热力学................................................................................................................................................................1基本概念与基本公式..........................................................................................................................................................2G∅Δ～T图及其应用（Ellingham图）..........................................................................................................................3.铁溶液................................................................................................................................................................................4．冶金炉渣溶液................................................................................................................................................................5相图..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................错误！未定义书签PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、课程名称：冶金物理化学所属专业：冶金工程及其相关专业课程性质：专业必修课2、学习本课程所需的基础知识及与相关课程的衔接关系；学习本课程之前，必须学习“物理化学”和“传输原理”；3、课程的总体要求和任务，学习该课程应达到的基本目标；课程的要求和任务：1）在“物理化学”和“传输原理”的基础上，理解和掌握这两门课的有关知识如何应用到冶金过程。2）其中热力学部分主要应用化学热力学的原理和方法解决冶金过程的每一个环节，学会解决过程的方向和限度，如何调整过程的方向和限度；3）动力学部分是应用化学动力学和传输原理分析过程的机理，找出过程的限制环节，设计合理的工艺。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建教学大纲及其学习方法注：编制说明：1、各章节有明确的关于学习目标或教学基本要求的描述；2、各章节明确学生应学习的知识点，按照要求分为三个等级：1）重点掌握……；学习时必须要熟练掌握的内容。2）掌握……….：掌握内容的要点；3）了解………，根据需要选择要掌握的内容。3、学习冶金物理化学重要的是理解概念及其各个物理量的意义，最后适当的作一些题，以验证理解的程度。4、学习指导书应该和教科书配合使用，学习完指导书，学生应该先把教科书上的例题都重新作一遍，再做带有*号的习题。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建第一部分：冶金热力学1．重点掌握冶金热力学和冶金动力学的研究范围（各三个）；2．了解冶金热力学和冶金动力学的研究目的。1基本概念与基本公式1）重点掌握体系中组元i的自由能表述方法；（包括理想气体、液体、固体）理想气体的吉布斯自由能封闭的多元理想气体组成的气相体系中，任一组元i的吉布斯自由能为lniiiGGRTP∅=+iiPPP∅′=iP′－i组分气体的实际压强，Pa；P∅－标准压强，Pa，也即Pa51001325.1×。应该注意的是，高温冶金过程中的气体由于压强比较低，都可以近似看作理想气体。液相体系中组元i的吉布斯自由能在多元液相体系中，任一组元i的吉布斯自由能为lniiiGGRTa∅=+其中，ia----组元的活度，其标准态的确定原则是：若i在铁液中，选1%溶液为标准态，其中的浓度为质量百分数，[%i]；若i在熔渣中，选纯物质为标准态，其中的浓度为摩尔分数，iX；若i是铁溶液中的组元铁，在其他组元浓度很小时，组元铁的活度定义为1。固相体系中组元i的吉布斯自由能在多元固相体系中，其中任一组元i的吉布斯自由能为PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建∅=+其中，ia----固相体系中组元的活度，其确定原则是：若体系是固溶体，则i在固溶体中的活度选纯物质为标准态，其中的浓度为摩尔分数，iX；若体系是共晶体，则i在共晶体中的活度定义为1；若体系是纯固体i，则其活度定义为1。2）重点掌握化学反应等温方程式lnGGRTQ∅Δ=Δ+GΔ有三种情况1）0ΔG，以上反应不可以自动进行；2）0ΔG，以上反应可以自动进行；3）0=ΔG，以上反应达到平衡，此时GRTLnK∅∅Δ=-注：（1）GΔ是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向，或反应能否发生的判据；cdCDabABaaQaa=表示任意时刻(不平衡状态)的压强商或活度商。（2）G∅Δ是反应产物与反应物处于标准态时自由能的差，表示反应的限度，是反应平衡态的度量。K∅是反应的平衡常数。cdcDabABaaKaa∅=其中，组元A、B、C、D有三种情况（1）若组元是固态时，1=ia（i=A,B,C,D）；(2)若组元是气态时，iiPa=，而iP是组元i的无量纲分压；（3）若组元存在与液态中，ia表示组元i的活度。其中，在一般情况下若i在金属溶液中，活度的标准态选1%；若i在炉渣中，则选纯物质为标准态。3）重点掌握Van’tHoff等压方程式PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建∅∅Δ=这即是Van’tHoff等压方程式的微分式。若上式的H∅Δ为常数，可以得出积分式如下：lnHKBRT∅∅Δ=-+或lnAKBT∅=-+其中，B是不定积分常数，A也是常数。上式两边同乘-RT，亦可改变为lnRTKHBRT∅∅-=Δ-其中，左边为G∅Δ，右边H∅Δ为常数，用a表示，BR常数用b表示，则得GabT∅Δ=-4）掌握用定积分法和不定积分计算fG∅Δ及rG∅Δ定积分结果：()2982980122TGHTSTaMbMcMcM∅∅∅-′Δ=Δ-Δ+Δ+Δ+Δ+Δ其中1298298ln0-+=TTM()TTM229821-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡×-×+=23222983298261TTM()22222982298TTM××-=-0M，1M，2M，2-M均可由手册查出。不定积分法结果：230262TPbccHCdTHaTTTT∅′ΔΔΔΔ=Δ=Δ+Δ++-∫230ln262TbccGHaTTTTITT∅′ΔΔΔΔ=Δ-Δ---+式中0HΔ及I为积分常数，由以下方法确定：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建）.用T=298K时的已知的298H∅Δ值，通过上式可以求出0HΔ；2）.用T=298K时的已知的298H∅Δ值与已知的298S∅Δ求出298G∅Δ，用1）中求出的0HΔ代入，可求出I。5）掌握由物质的标准生成吉布斯自由能fG∅Δ及标准溶解吉布斯自由能solG∅Δ，求化学反应的rG∅ΔfG∅Δ定义：恒温下，由标准大气压（P∅）下的最稳定单质生成标准大气压（P∅）1mol某物质时反应的自由能差。注：①稳定单质的0fG∅Δ=；②手册上给出的一般为化合物在298K时的标准生成自由能298fG∅Δ。solG∅Δ定义：恒温下，某一元素M溶解在溶剂中，形成1％（质量）的溶液时自由能的变化。一般为[])%(1质量MM=solMGabT∅Δ=-。用fG∅Δ及solG∅Δ计算rG∅Δ的通式如下：rifiiGGn∅∅Δ=Δ∑（或soliG∅Δ）（2－21）in--化学反应方程式中反应物i或产物i的计量系数，若i代表反应物，则in为“—”；若i代表产物，则in为“+”（注：以下类同）。6）掌握由吉布斯自由能函数求rG∅Δ定义TRHHT∅∅-为焓函数TRGHT∅∅-为自由能函数，记为fefRH∅－参考温度下无知的标准焓（如果为气态物质，则RH∅为0K标准焓，记为0H∅；如果为凝聚态物质，则RH∅为298K标准焓，记为298H∅。）利用自由能函数计算rG∅Δ首先计算化学反应产物与反应物的自由能函数fef之差值，即PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Δ=∑而fefΔ＝()TRrGHT∅∅-Δ＝rTrRGHTT∅∅ΔΔ-所以，rTG∅Δ＝rRHTfef∅Δ+Δ注：当参加反应的物质既有气态又有凝聚态，将RHΘ统一到298K。298K与0K之间的自由能函数的换算公式为：298TGHT∅∅-＝0TGHT∅∅-－2980HHT∅∅-此式一般用于将气态在0K的fef值换算成298K的fef。7）掌握由rG∅Δ与T的多项式求二项式对rG∅Δ＝23ABTCTDT++++L形式的多项式，1．在一定的温度的定义域内，合理选择n个温度点：12,,,nTTTL；2．求出几个温度对应的自由能12,,,nrTrTrTGGG∅∅∅ΔΔΔL；3．用最小二乘法，得出rGabT∅Δ=+。2G∅Δ～T图及其应用（Ellingham图）1）重点掌握Ellingham图的热力学特征低位置的元素可将高位置元素形成的氧化物还原。特别注意特殊的线（222COCO+=）这条斜率为负值的线，该线在Ellingham图上形成了三个区域：（例如在温度区间1000K～2000K）*在CO的rG∅Δ与温度线之上的区域，包括,,,,,,FeWPMoSnNiAs及Cu在此区域，在此温度范围内的该区域，由于CO的