1第一章冶金热力学基础

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1、第一章冶金热力学基础1.冶金反应的焰变和吉布斯自由能变计算2.化学反应等温方程式3•溶解组元的活度及活度系数4.有溶液参加反应化学反应等温方程式分析5.熔铁及其合金的结构6.铁液屮组分活度的相互作用系数关系式7.铁液中元素的溶解及存在形式8.熔铁及其合金的物理性质绪论冶金过程，尤其是钢铁冶金过程是高温、多相、多组元的复杂物理化学反应体系，一般而言：温度：＞1000°C,炼钢温度在1600°C，甚至1700°C；多相：包括气一液一固三相气相：大气、燃气、反应气体、金属及其化合物的蒸气；液相：金属液、渣液；固相：金属矿石、固体

2、燃料、耐火材料；多组元：金属液、炉渣、燃料都不是纯物质，而是多组元物质。冶金过程物理变化：熔化、溶解、吸附、脱气、分金属夹杂上浮、金属的凝固等；冶金过程化学反应：燃料燃烧反应、生成一离解反应、氧化一还原反应、脱硫反应、脱磷反应、脱氧反应、脱碳反应等。对这样的复杂体系，冶金物理化学能做什么？运用物理化学基本原理及实验方法，冶金物理化学研究和分析冶金过程的基本规律，为探索高效、优质、绿色的冶金工艺过程提供理论依据。冶金物理化学大致分为：冶金热力学一一主要研究冶金过程（反应）进行的方向和限度，以及在复杂体系中实现意愿反应的热力学

3、条件。是以体系的状态（平衡态）为基础，以状态函数描述过程的可能性为基本分析方法，不涉及“时间”这个参数。冶金动力学一一主要研究冶金过程（反应）的机理和速率，以及确定过程的限制性环节和强化过程的措施。工业过程是要在有限吋I'可内完成反应产物的获得，光有“可能性”还不够，要有“实现性”，这就必然涉及过程（反应）的机理和速率。冶金熔体一一高温金属熔体和熔渣结构、性质及模型描述。冶金电化学一一高温电解反应、金属液熔渣多相反应的机理和描述。应该说，正是冶金物理化学的发展，才使得冶金由“技艺”成为“工程”和含有“科学”分量。相对而言，

4、冶金热力学发展得较为成熟，但研究高温下多相复杂冶金反应很困难，许多热力学数据还不完整。而冶金动力学等其他领域的研究方兴未艾，进展较快，口趋成熟。正是由于一些冶金现彖的本质未被完整揭示，不同的研究者在理论上的见解不尽一致是可以理解的，这些也会反映到教学中来，需要辩证地认识。第一章冶金热力学基础在高温下，冶金反应进行得很快，冶金热力学用热力学数据，通过计算和分析，获得给定条件下冶金反应进行的方向和限度，以及改变条件(温度、压力、浓度)对冶金反应方向的影响等。本章即以化学热力学为基础，探讨冶金热力学的基本规律。1.1冶金反应的熔

5、变和自由能变计算冶金过程涉及大量的化学反应、成液反应、相变反应及其他的物理变化，研究这些过程热效应的知识称为“冶金热化学”。体系屮所有分子做热运动的动能和分子势能以及分子、原子内部所具有的能量的总和叫做体系的内能“U”。焙(Enthalpy)定义是：H=U+pV式中：P——压强(压力)，Pa；V$积，n?。焙和内能一样是体系的状态函数，在一定状态下每一物质都有特定的焙。焙具有加和性,是广度性质的函数。简单来讲，焙是在压力一定的条件下，衡量一个体系能量多少的热力学函数。我们不能测定体系的热力学能的绝对值,所以也不能测得焙的绝

6、对值•当体系发生状态变化,如果是恒容过程(体积不变)，既不作其它功，也不作体积功，则有：和自由能(Gibbsfreeenergy)都是体系的热力学函数，是判断等温、等压条件下冶金反应的方向及平衡态的依据。有的书刊上称它为：吉氏自由能(Gibbsfreeenergy)o自由焙计算是冶金过程热力学的中心内容和基本手段。自由能自由能freeenergy:在热力学当中，自rfl能指的是在某一个热力学过程中,系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是：在一个特定的热力学过程屮，系统可对外输出的“有用能量”。自由能freee

7、nergy在物理化学屮，按照亥姆霍兹的定容自由能F与吉布斯的定压自由能G的定义,G=A+PV(p为压力，V为体积)。在生物的反应屮，因为△(PV)可以忽略不计，所以两者是相同的。只有这样，A的变化△A=AU・TAS才成为主要讨论的问题(U、T、S分别是该系统的内能、绝对温度、爛)。AA给出了生物反应屮释放出来可用于做功的能量上限。其变化量(一般用AG*表示)在生物学上使用时必须注意下列事项：(1)水的活度，可随意设为1.0进行计算：(2)因[H+]=1M并不符合实际情况，一般认为[H+]=10-7M(pH7),为了区别其符

8、号写成AGO'；(3)例如反应，因各种成分并非标准浓度(1M),把实际浓度代入下式后其值△G'就有问题了；(4)在共辘反应中，要注意各种成分反应的变化量之和；(5)把AGO改为用平衡常数[1](Keq)表示，往往是很有用的。例如在25°C下△G0二RTlnKeq=・136引oglOKcqE0K5tlU5