Физическая химия металлургических процессов

 

Основой металлургии как науки является физическая химия металлургических процессов, которая рассматривает широкий круг вопросов теории химических превращений и изучает влияние физических параметров на химические процессы и химического состава на физические свойства. Умение пользоваться методами физической химии для анализа превращений, совершающихся в металлургических системах, дает возможность выбрать условия, наиболее благоприятные для проведения производственных процессов.

Основные разделы физической химии:

- Строение вещества. В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества.

- Химическая термодинамика – наука о взаимных превращениях различных видов энергии при протекании химических процессов.

- Учение о растворах.

- Электрохимия.

- Химическая кинетика. Изучает скорость и молекулярный механизм химических реакций в гомогенной и гетерогенной средах.

- Учение о коллоидном состоянии веществ и поверхностных явлениях.

 

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Основные понятия и величины термодинамики

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Гомогенной называется такая система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам. Системы, внутри которых такие поверхности имеются, называются гетерогенными.

Изолированная система – это такая система, которая рассматривается как лишенная возможности обмена веществом или энергией с окружающей средой и имеющая постоянный объем.

Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам и ограниченных от других частей системы некоторой поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Фазы, состоящие из одного химически индивидуального вещества, называются простыми или чистыми. Фазы, содержащие два и более индивидуальных химических веществ, называются смешанными.

Основными фазами, взаимодействующими в металлургических системах, являются: газ (газ атмосферы и горения топлива), топливо (составляющая шихты при плавке чугунов в вагранке), твердый углерод (кокс, углеродные электроды при сварке и электродуговом переплаве), флюсы (органические материалы, вводимые в тигель или сварочную ванну для образования шлаков), футеровка (защитная внутренняя облицовка ковшей и плавильных печей), жидкий металл (расплав металла или сплава, расплавленный припой, металл сварочной ванны), жидкий шлак (продукт любого процесса получения сплава).

Термодинамическим процессом называется любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одной термодинамической величины.

Процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого первоначального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается тем или иным путем в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом.

Процессы, происходящие при постоянной температуре, называются изотермическими; при постоянном давлении – изобарными; при постоянном объеме – изохорными.

Адиабатными называются процессы, при которых система не принимает и не отдает теплоты, хотя связана с окружающей средой работой, получаемой от нее или совершаемой над ней.

Обратимый термодинамический процесс определяют как процесс, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние, без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процесс является необратимым.

Термодинамические функции, значения которых зависят только от состояния системы, называются функциями состояния. Их изменение в каком-нибудь процессе зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода из начального в конечное состояние. В круговом процессе изменение любой функции состояния равно нулю.

Функциями состояния являются, например, внутренняя энергия системы U, энтальпия H, энтропия S. При переходе из состояния 1 в состояние 2 изменения этих функций будут равны Δ U=U₂ – U₁; Δ Н=Н₂ – Н₁; Δ S=S ₂ – S ₁. Бесконечно малые изменения функций состояния обозначают dU, dН, dS.

Чтобы отличать функции, которые не являются функциями состояния, их бесконечно малые величины обозначают иначе, например, dq, dA – бесконечно малые количества теплоты и работы соответственно.

 

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Первый закон термодинамики

Термодинамика рассматривает процессы, связанные с тепловыми явлениями. Процессы, протекающие в тепловых машинах, изучает техническая термодинамика; тепловые явления, сопровождающие химические реакции, - химическая термодинамика.

Химическая термодинамика построена главным образом на двух законах, которые не доказываются логическим путем. Они вытекают из обобщения многовекового человеческого опыта. Справедливость этих законов доказывается тем, что ни одно из следствий, к которым они приводят, не находится в противоречии с опытом.

Первый закон термодинамики связан с законом сохранения энергии, который устанавливает:

если в каком-нибудь процессе энергия одного вида исчезает, то вместо нее появляется энергия в другой форме, в количестве строго эквивалентном первому.

Любые переходы энергии соответствуют закону эквивалентности:

разные формы энергии переходят друг в друга всегда в одинаковых, строго эквивалентных соотношениях.

Отсюда следует, что в любой изолированной системе общий запас энергии сохраняется постоянным.

Формулировка первого закона термодинамики, вытекающая из постоянства запаса внутренней энергии изолированной системы:

В любом процессе приращение внутренней энергии DU=U₂-U₁ какой-нибудь системы равно количеству теплоты q, сообщенной системе, за вычетом совершенной системой работы А.

(1)

Для процессов, связанных бесконечно малыми изменениями:

, (2)

где dU- полный дифференциал внутренней энергии системы;

dq и dA- бесконечно малые количества теплоты и работы, зависящие от пути изменения состояния системы и от характеристики процесса. Теплота и работа характеризуют термодинамические процессы, а не состояние системы.

На основе первого закона термодинамики определяется термодинамическое понятие внутренней энергии системы:

внутренняя энергия - это величина, приращение которой в процессе равно сообщенной системе теплоте, сложенной с работой, совершенной над системой внешними по отношению к ней силами.

Внутренняя энергия системы зависит только от энергии начального U₁ и конечного U₂ состояний системы и не зависит от пути процесса. Поэтому внутренняя энергия системы является функцией состояния и однозначно определяется параметрами состояния системы (температурой, давлением, объемом), т.е. U=f (T, p, V).

Первый закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

количество теплоты, полученное системой, равно увеличению ее внутренней энергии и произведенной ею работе

. (3)

Так как металлургические процессы протекают при высоких температурах и низких давлениях, а в таких условиях реальные газы приближаются к идеальным, то при рассмотрении металлургических процессов можно без большой ошибки применять законы, которым подчиняются идеальные газы. На основании этого допущения получены следствия из первого закона термодинамики.

1. Рассмотрим изотерический процесс (Т=const.).

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. В изотермическом процессе, когда Т=const., изменение внутренней энергии равно нулю DU=0, следовательно,

. (4)

В изотермическом процессе вся работа выполняется за счет подведенной к системе теплоты.

2. Изохорный процесс (V=const.).

В изохорном процессе работа не выполняется из-за неизменного объема системы. При V=const. А=0, следовательно,

. (5)

В изохорном процессе теплота расходуется только на приращение внутренней энергии системы.

3. Изобарный процесс (р=const.).

Работа изобарного расширения газа равна произведению давления на увеличение объема, т.е. , тогда

. (6)

При переходе из состояния 1 в состояние 2

. (7)

Выражение в скобках представляет собой термодинамическую функцию, которая называется энтальпия:

. (8)

Энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии системы и работы расширения или объемной энергии pV, переданной в окружающую среду. Энтальпия – функция состояния, т.е. .

Следовательно, из уравнения (7) получаем

. (9)

В изобарном процессе теплота увеличивает энтальпию системы.

 

При рассмотрении изохорных процессов (V=const.) удобнее пользоваться величиной изменения внутренней энергии Δ U; при рассмотрении изобарных процессов (р=const.) – величиной изменения энтальпии Δ Н. Разница между Δ U и Δ Н значительна для систем, содержащих вещества в газообразном состоянии, так как в этом случае объемная энергия pV имеет значительную величину. Для твердых и жидких тел, находящихся под атмосферным давлением, объемная энергия стремится к нулю pV→ 0 и энтальпия и внутренняя энергия практически одинаковы Δ Н ≈ Δ U.

Следует отметить, что форма математической записи первого закона термодинамики (1) справедлива лишь при принятых условных обозначениях: в термодинамике и металлургических процессах принято считать все, что приходит в систему из внешней среды, положительным (+), а все, что уходит из системы, отрицательным (-).

В отличие от термодинамики в термохимии – разделе физической химии, посвященном экспериментальному изучению тепловых эффектов реакций, принята противоположная система знаков. В этой системе знаков положительными считаются убыль энергии и выделенная теплота. Чтобы отличить термохимическую систему знаков, используют буквенные обозначения величин с черточками сверху: . Тогда математическое выражение первого закона термодинамики в системе знаков термохимии будет записано в следующем виде:

или , (10)

то есть убыль внутренней энергии системы является следствием выделения ею теплоты и совершения работы.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: