2007兰州理工大学研究生学位课程.ppt

兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学 兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学 ? 研究生学位课程 冶金热力学及动力学Metallurgical Thermodynamics and kinetics 兰州理工大学 * 冶金热力学及动力学—— 冶金热力学 授课内容 冶金热力学 冶金热力学 冶金动力学 热力学平衡图 复杂体系的化学平衡 冶金过程中的热力学分析 冶金热力学基础 相图热力学 * 冶金热力学及动力学—— 冶金热力学 授课内容 冶金热力学 冶金热力学 冶金动力学 气―固相反应动力学 液―固相反应动力学 气―液相反应动力学 液―液相反应动力 冶金反应动力学基础 固―固相反应动力学 * 冶金热力学及动力学—— 冶金热力学 教学用书： 朱吉庆, 冶金热力学,长沙:中南大学出版社,1995 华一新, 冶金过程动力学导论,北京:冶金工业出版社,2004 参考书： 梁连科 , 冶金热力学及动力学,沈阳:东北大学出版社，1990 莫鼎成, 冶金动力学,长沙:中南大学出版社,1987 陈新民，陈启元,冶金热力学导论,北京：冶金工业出版社，1986 傅杰,钢冶金过程动力学,北京：冶金工业出版社,2001 马荣骏,湿法冶金原理,北京：冶金工业出版社，2007 * 第一章 冶金热力学—— 冶金热力学基础 1.2 ΔGθ的计算 2 1.3 有溶液参加反应的ΔGθ的计算 1 1.4 活度相互作用系数 4 3 1 1.1 化学反应等温方程式 1 1 1.5 热力学数据的实验测定 5 * 冶金过程的物理化学，包括两个方面： 反应的热力学 即冶金反应的方向以及反应的平衡态； 2) 过程动力学 即过程的速率，包括化学反应本身的速率、反应物传输到反应地带以及反应产物离开反应地带的速率。 * 在高温下，绝大多数冶金反应本身的速率是很快的，所以热力学研究对冶金工作者来说十分重要。 由基本的热力学数据，通过分析和计算，能提供反应在一定条件(例如温度、压力、浓度等)下能否发生以及所能达到的最大限度的信息。这也是研究动力学的必要前提。 * 要判断反应的方向和确定反应的平衡态，就需要知道反应的吉布斯自由能变ΔG(说明：以后，吉布斯自由能均简称为自由能)和标准吉布斯自由能变ΔGθ。 本章在本科阶段物理化学、冶金原理的基础上，介绍冶金反应的ΔG和ΔGθ各种计算方法和实验测定方法，并讨论在运用ΔG和ΔGθ时要注意的有关问题。 * 在物理化学教科书中，化学反应等温方程式： 1.1 化学反应等温方程式 中，如果ΔGθ的绝对值很大(一般认为当 ) ΔGθ的符号(是正或是负)基本决定了ΔG的符号，很难通过改变Jp的数值来改变ΔG的符号。 这个界限值(41.8kJ/mol)对常温下的许多反应大体上是可用的，但对高温下的冶金反应就不适用了。 * 例1：用氢气还原CrCl2制取金属铬的反应： 已知在800oC时，ΔGθ=61.7kJ/mol，设P总=1atm， 求气相中H2的分压控制到多少，可以使反应向右进行。 * 例2：用硅还原MgO以制取金属镁的反应： 求：反应(1)在标态下能否进行？加入CaO后，标态下能否进行？如果使Si能够还原MgO，需要采取什么措施？ (1) (2) * 例3：炼钢过程中，钢液内的[Mn]还原(SiO2)的反应： 求：在炼钢温度(取1600oC),钢中含有0.3%Mn和0.1%Si的情况，探讨在碱性渣和酸性渣的条件下，上述反应能否进行。 已知：钢液中的[Mn]和[Si]遵从亨利定律，碱性渣中aSiO2=0.05， aMnO=0.2 。酸性渣中， aSiO2=1， aMnO=0.1。 * 1.2 ΔGθ的计算 在等温方程式中，JP是由反应进行的实际条件来决定的。要计算ΔG，首先必须计算ΔGθ。 由ΔGθ还可根据ΔGθ =-RTlnK求出反应的平衡常数。 ΔGθ的计算是冶金热力学计算的一个重要内容。 * ΔGθ计算方法分类： 积分法 线性组合法(这是冶金中最常用的一种计算ΔGθ的方法) 自由能函数计算法 用相对焓和相对自由能数据的计算方法 * 线性组合法是冶金中最常用的一种计算ΔGθ的方法。 在物理化学中已经介绍过，一个反应的ΔHθ(298)等于该反应所有产物的生成热之和减去所有各反应物的生成热之和。 这个公式不仅适用于反应热的计算，对反应的其它热力学函数也适用。 只要知道参加反应各物质的ΔfGθ,即可用上式求出反应的ΔGθ * 上节计算ΔGθ的方法适用于纯物质或气体参加的反应。 如果有溶液参加反应，即反应物或产物中有一个(或一个以上)组分解于溶液中，即处于溶解态而不是纯物质状态，则反应的ΔGθ的计算就要涉及活度标准态的选择问题。 1.3 有溶液参