冶金物理化学绪论_工学_高等教育_教育专区
冶金物理化学 第一章
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2022/11/6
第一章 绪论
• 1.3冶金动力学与冶金热力学的研究目的 1．改进冶金工艺，提高产品质量，扩大品种，
增加产量。 2．探索新的流程，提供理论依据。
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2022/11/6
第一章 绪论
• 1.2冶金动力学的研究范围 • 1.2.1冶金动力学
利用化学动力学与传输原理，研究冶金过程的机 理；确定各基元过程及总过程的速率；找出反 应过程的限制环节。
冶金动力学的作用：提供了冶金反应过程研究内 容的完备性，提供了反应的充分性条件。
•
北京市高等教育精品教材立项项目
• 4.主教材
• <<冶金与材料物理化学>> 李文超等编 冶金工业出版社
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2022/11/6
第一章 绪论
• 1.1冶金物理化学的研究范围 ➢ 1.1.1冶金过程与冶金过程基础理论 ➢ 1.1.2冶金热力学 • 1.2冶金动力学的研究范围 ➢ 1.2.1冶金动力学 ➢ 1.3冶金动力学与冶金热力学的研究目的
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第一章 绪论
1.1冶金物理化学的研究范围 1.1.1冶金过程与冶金过程基础理论
图1-1 冶金过程基本流程图
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2022/11/6
第一章 绪论
• 1.1.2冶金热力学 利用化学热力学原理，研究冶金中反应的可能 性（反应方向）（理论依据－）；确定冶金反 应过程的最大产率（反应限度）（理论依据 －）；找出控制反应过程的基本参数（T，P， Ci）。 冶金热力学的局限性：所确定的冶金过程的条 件是必要的，但不是充分的。
冶金考研专业课--冶金物理化学知识点归纳
r G5 = 307740- 133.51T
CaO（s）=（CaO） sol G = 0 CaC2（s）=（CaC2） sol G = 0
所以
（CaO）+3C（s）=（CaC2）+CO（g）
θ 2
3
1
1－6．利用气相与凝聚相平衡法求 1273K 时 FeO 的标准生成吉布斯自由能 f GFex O 。
θ
已知:反应 FeO (s) H 2 (g) Fe (s) H 2 O (g) 在 1273K 时的标准平衡常数 K 0.668
θ
H 2 (g) 1 O H 2 O (g) 2 2 (g)
RT ln K H BRT
其中，左边为 G ，右边 H 为常数，用 a 表示，BR 常数用 b 表示，则得
G a bT
4）掌握用定积分法和不定积分计算 f G 及 r G
定积分结果： GT H 298 T S 298 T aM 0 bM 1 cM 2 cM 2
G 有三种情况
1）
G 0 ，以上反应不可以自动进行；
2） G 0 ，以上反应可以自动进行； 3） G 0 ，以上反应达到平衡，此时
G RTLnK
注：
（1） G 是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向（反应能否发生的判据） ；
c d aC aD a b a A aB
郭汉杰 北京科技大学
1．冶金热力学辅导
热力学内容下四个部分 1） 冶金热力学基础 2） 冶金熔体（铁溶液、渣溶液） 3） 热力学状态图（Ellingham 图，相图） 注：
冶金物理化学 教学大纲
冶金物理化学教学大纲一．说明1．1本课程的目的和任务本课程为冶金工程专业本科生的必修课。
通过本课程的学习使学生掌握冶金热力学、冶金动力学、冶金电化学、表面和界面化学的基本理论，了解这些基本理论能解决什么问题，以及如何应用这些基本理论解决实际问题；初步掌握用这些基本理论分析和解决实际问题的基本方法；培养学生应用这些基本理论分析解决实际问题的能力和获取知识的能力。
1．2基本要求（1）掌握冶金物理化学的基本理论、基本概念。
（2）掌握应用这些基本理论分析和解决问题的基本思想和方法。
（3）初步具备应用这些基本理论分析、解决实际问题的能力和获取知识的能力。
1．3与相关课程的关系先修课为大学化学，物理化学，冶金和材料制备的认识实习及生产实习，后序课为冶金学，本课程要为冶金学打下扎实的理论基础。
二．内容概要冶金物理化学是冶金及材料科学的重要基础理论。
以物理化学（包括化学热力学、化学动力学和结构化学）的基本理论和基本方法为基础，研究与冶金及材料制备相关体系的物理化学性质以及物质的组成、结构和性质、性能间的关系；研究冶金及材料制备的物理化学原理，以及这些原理在冶金及材料制备过程中的运用。
内容涵盖钢铁冶金、有色金属冶金及材料科学等领域。
三．课程内容1．绪论2．溶液理论2.1引言2.2偏摩尔性质2.3理想溶液与稀溶液2.4真实溶液的处理方法2.5多元系中组元的活度及组元间的相互影响2.6偏摩尔混合性质2.7过剩热力学性质2.8 G—D方程在二元系中的应用2.9 G—D方程在三元系中的应用2.10正规溶液及相关模型2.11其他溶液模型2.12活度的测定与计算（可与3.6合在一起讲）3.Gibbs自由能变化3.1化学反应等温方程式3.2标准Gibbs自由能变化的计算3.3有溶液存在的反应Gibbs自由能计算3.4化学反应等温方程式在冶金及材料制备过程中的应用3.5平衡移动原理在冶金及材料制备过程中的应用3.6标准Gibbs自由能变化的实验测定4、相图4.1二元系相图的基本类型4.2 Fe—O系相图4.3 Fe—C系相图4.4三元系相图的一般原理4.5三元相图的基本类型4.6相图在冶金及材料制备过程中的应用CaO-Al2O3-SiO2相图CaO-FeO n-SiO2相图Cu-Fe-S相图4.7自由能—组成图4.8相图的计算（由热力学数据计算相图）5.熔渣5.1熔渣结构及相关理论模型5.2熔渣的碱度5.3熔渣的氧化能力5.4熔渣氧化物的活度5.5熔渣的去硫去磷能力5.6熔渣的物理化学性质6、熔锍6.1熔锍的组成和性质6.2熔锍理论模型6.3造锍过程的热力学分析6.4熔锍吹炼热力学分析7、电解质水溶液7.1 浸出过程热力学7.1.1电位-pH图7.1.2 非金属-水系电位-pH图7.1.3 络合物-水系的电位-pH图7.1.4 高温水溶液热力学和电位-pH图7.1.5 电位-pH图在湿法冶金中的应用7.2湿法分离提取过程7.2.1 沉淀法与结晶法7.2.2 离子交换法7.2.3 有机溶液萃取法7.3金属的电沉积过程7.3.1 法拉第定律和电流效率7.3.2金属的还原过程7.3.3 金属电沉积过程中的阴极极化和超电势7.3.4 金属阳极和阳极过程7.3.5 金的电解精炼8、熔盐8.1熔盐的基本结构和性质8.2熔盐电解8.3金属在熔盐中的溶解9.冶金动力学9.1多相反应动力学基础9.2多相反应的速率方程9.3气—固相反应动力学9.4气—液相反应动力学9.5液—固相反应动力学9.6熔体凝固过程动力学9.7固—固相反应动力学10.界面化学10.1熔体的表面现象10.2固体的表面特性10.3界面行为10.4界面化学在冶金及材料制备过程中的应用11.冶金及材料制备过程的实例分析11.1 平衡体系热力学分析11.2 碳热还原体系的热力学分析11.3铁液中的碳氧反应11.4钢液脱氧反应11.5选择性氧化及选择性还原11.6金属氧化物的加碳氯化11.7固体金属的氧化四．教材及参考书1.田彦文，翟秀静，刘奎仁. 冶金物理化学简明简程，北京，化学工业出版社，2011.2.梁连科，车荫昌．冶金热力学与动力学，沈阳：东北工学院出版社，19923. D.R.Gaskell．Introduction to Metallurgical Thermodynamics．2nd. Ed. McGRANHILL, 19814.李文超．冶金与材料物理化学．北京：冶金工业出版社，20015.陈新民．火法冶金过程物理化学．北京：冶金工业出版社，19946.魏寿昆．冶金过程热力学．上海：科学技术出版社，19807.王常珍．冶金物理化学研究方法（第三版）．北京：冶金工业出版社，20028.黄希祜．钢铁冶金原理．北京：冶金工业出版社，20029.付崇说．有色冶金原理．北京：冶金工业出版社，199310.周亚栋．无机材料物理化学．武汉：武汉工业大学出版社，199411.莫鼎成．冶金过程动力学．长沙：中南工业大学出版社，198312.蒋汉瀛．冶金电化学．北京：冶金工业出版社，198913.翟玉春，刘喜海，徐家振．现代冶金学．北京：电子工业出版社，200114.朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学．北京：冶金工业出版社，2003。
冶金物理化学课程设计
冶金物理化学课程设计项目背景冶金物理化学是冶金工程专业中的一门重要课程。
本课程旨在介绍各种物理化学理论对于冶金工程的应用，以及研究冶金过程和材料性能的相关基本概念和原理。
考虑到该课程的重要性，我们将进行一项课程设计，以增强学生的理论和实践技能。
项目目的本项目的目的是提高学生的综合理论和实际技能，帮助学生理解冶金物理化学的理论和应用，并进行实践操作，增强实践能力和科研素养。
项目主要内容本课程设计主要包括以下几个方面：1. 冶金物理化学实验本项目将安排学生进行一些实验操作，以加深学生对冶金物理化学理论的理解。
实验内容包括：•介绍冶金物理化学实验室的设备和操作规程；•分析与处理实验数据，计算化学动力学参数；•实践运用热化学吸附谱、X射线衍射等技术手段进行实验检测。
2. 工程案例分析本项目将结合真实工程案例进行分析，以帮助学生了解冶金物理化学的实际应用，提高学生的理论和实践技能。
案例内容包括：•熔炼过程中的热力学计算和金属物理化学行为分析；•烧结和磨粉过程中的冶金物理化学原理；•对非晶状态的物理化学分析。
3. 论文撰写本项目将安排学生撰写一篇关于冶金物理化学的论文，以培养其科研能力和学术素养。
论文题目包括：•冶金物理化学中化学反应原理的研究；•熔炼过程中金属物理化学性能的分析；•不同加工工艺中材料的物理化学变化比较研究。
4. 课程讲解本项目还将配合课程的教学内容，通过将课程内容与实际工程联系起来，增强学生的理论和实践技能。
项目成果评估本项目的成果评估方式主要包括以下几点：1. 实验报告和实验成绩学生需要按照标准格式编写实验报告，提交实验成绩以及分析数据等相关内容。
2. 工程案例研究和分析学生需要深入分析工程案例的相关内容，并撰写一份完整的工程案例报告，包括热力学计算、物理化学性能分析等。
3. 论文撰写和答辩学生需要撰写一篇关于冶金物理化学的论文，并且在科研专家的指导下，进行答辩，阐明自己的研究成果。
4. 期末考试学生需要参加期末考试，检验其对冶金物理化学理论的掌握程度。
冶金物理化学课件第八章
自由能变化是衡量冶金反应能否自发 进行的指标，自由能减少的反应可以 自发进行。
热力学第二定律
热力学第二定律指出，自发反应总是 向着熵增加的方向进行，即向着更加 混乱无序的状态进行。
04
冶金过程的物理化学分析 方法
热分析法
总结词
热分析法是一种通过测量物质在加热或冷却过程中的物理性质变化来研究物质性 质的方法。
课程简介
内容
介绍冶金物理化学的基本概念、 原理和应用，包括热力学、动力 学、相图、金属的氧化和还原等 方面的知识。
教学方法
采用多媒体课件、实验演示和案 例分析等多种教学方法，帮助学 生深入理解冶金物理化学的基本 原理和应用。
02
冶金物理化学基础
物理化学基本概念
物质的状态与性质
01
介绍物质的气态、液态、固态等不同状态下的性质和变化规律
。
热力学基本概念
02
解释热力学中的基本概念，如温度、压力、体积、熵等。
化学反应中的质量守恒和能量守恒
03
阐述化学反应中质量守恒和能量守恒的基本原理。
热力学基础
01
02
03
热力学第一定律
解释热力学第一定律，即 能量守恒定律在化学反应 中的应用。
热力学第二定律
阐述热力学第二定律，即 熵增原理在化学反应方向 判断中的应用。
化学平衡
介绍化学平衡的概念及其 在冶金过程中的意义。
动力学基础
化学反应速率
解释化学反应速率的定义 和影响因素。
反应机理
阐述反应机理的概念，以 及其在化学反应速率控制 中的作用。
催化剂的作用机制
介绍催化剂对化学反应速 率的影响及其作用机制。
03
冶金过程中的物理化学现 象
冶金物理化学
计 算机 模 拟 技术 已成 为 大 分子 构 象 等 基础 研 究 的 一 种重 要 手 段 ．
非 连 续 分子 动 力 学 模 拟 （ ＭＤ） 传 统 的 分 子 动 力 学模 拟 （ ） Ｄ 与 ＭＤ
０２ ｏ ３ ８ ００ ５ 航 空树 脂 基 复合材 料 的 高韧 性化 研 究进
４０・ ５ 复合 材料 ３ ５ ＝Ｄ ｖｌ ｍ ｎ ｏ ｔ — ｅｅ ｐ ｅｔ ｆｓ ｄ ｏ ｕ
非 连 续分 子 动 力学 模 拟方 法 及 其在 大 分 子研 究 中的应 用 ＝
Ｄｉｃ ｎｉ ｕ ｕｓｍ ｏｅ ｕａ ｎ ｍｉ ｓｓｍｕｌｔｏ ｎｄ ｉｓ ａ ｐｉ ａｉ ｓ ｉ ｓ ｏ ｔｎ ｏ ｌｃ ｌｒｄｙ ａ ｃ ｉ ａ ｎ ａ ｔ ｐ ｌｃ ｔｏｎ ｎ ｉ
方法 有所 不 同，基 于不 连 续势 能 和相 关 的模 拟 编程 方 法 ，运 行速 度大 大提 高． 讨论 了 ＤＭＤ方 法 的特 点， 结 了 Ｄ 总 ＭＤ 方法 的应 用 ，
重 点以蛋 白质 折叠 为例 介绍 了如 何使 用 Ｄ ＭＤ 方法 ，最 后对 Ｄ ＭＤ
复合 材 料 为例 ，报 道 “ 离位 ”增 韧 改性 的概念 、技术 、方法 和 实 验 验 证 ． “ 位 ”技 术 不仅 可较 大 幅度 地 提 升复 合材 料 层压 板 的 离 所 有 层 间韧 性 而保 持其 面 内性质 基 本不 变 ，而 且 在应 用 上具 广谱 适 用性 ． “ 离位” 合材 料拥 有 中国 自主 知识 产权 ． 图９ 参３ 刘 复 表４ ３（ 静） 关 键词 ：反应 诱导 分相 ；双 马来 酰亚 胺 ；复 合材 料层 压板 ；“ 离位 ”
【精品】冶金物理化学汇编
冶金热力学及动力学的研究对象
对冶金体系中的一个化学反应，需要研究如下内容： a.该反应能否发生(G)？ b.如果能发生的话，到什么程度达到平衡(G)？ c.反应速率多大？ d.会发生怎样的能量变化？ e.反应机理(反应步逐）如何？
a, b, d 属于冶金热力学问题， c, e 属于冶金动力学问题。
冶金物理化学
课程内容
绪论 1 冶金热力学基础 2 溶液 3 冶金热力学应用 4 冶金过程动力学基础 5 冶金反应动力学模型
2
绪论
1.1 冶金物理化学课程的地位与作用 1.2 冶金工艺与冶金物理化学 1.3 冶金物理化学
4
冶金物理化学的研究范围
一、冶金热力学
冶金热力学： 利用化学热力学原理，研究冶金过程中反应的可能 性（反应方向，G）；确定冶金反应过程最大产率 （反应的限度， G）；找出控制反应过程的基本 参数（T，P，Ci)。
5
冶金热力学的局限性：
所确定的冶金过程的条件是必要的，但不是 充分的。
6
冶金物理化学的研究范围
二、冶金动力学
冶金动力学： 利用化学动力学原理，研究冶金过程的机理；确定 各基元过程的速率；找出反应过程的限制环节。 冶金动力学的作用：提供了冶金反应过程研究内容 的完备性，是反应的充分条件。
8
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【工硕】冶金物理化学 全套课件
G RT ln Q
(2-3)
G有三种情况: 1） G>0 ，以上反应不可以自动进行； 2） G<0 ，以上反应可以自动进行； 3） G=0 ，以上反应达到平衡，此时G =-RTlnK
G = G +RTlnQ (2-3)
G =-RTlnK
(2-4)
化学反应的等温方程式。
G<0与其他学科共同规律
1.2冶金热力学计算中标准自由能的获得
------由物质的标准生成吉布斯自由能及标准溶解吉 布斯自由能求化学反应的标准吉布斯自由能变化
标准摩尔生成吉布斯自由能：在标准压力P下，由稳定单质生 成一摩尔化合物时反应的吉布斯自由能的变化值，称为该化合 物的标准摩尔生成吉布斯自由能。用如下符号表示：
f Gm
Q
a2 MnO
aSi
aSiO2 aM2 n
碱性渣: aSiO2 0.05 aMnO 0.2 aSi [wSi / w ] aMn [wMn / w ]
G
G
RT
ln
a2 MnO(%)
aSi
aSiO2 aM2 n
54.3kJ mol1 0
其它: 耐火材料。
1.1 热力学中的几个基本公式
若上式的H为常数，可以得出积分式如下：
ln K H B RT
(2-6)
ln K A B
(2-7)
T
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-RTlnK= H-BRT
其中，左边为G,右边H为常数，用a表示，BR常数用b
表示，则得G=a-bT
化学反应的自由能变与温度的二项式，对一般反应， 可以查热力学手册得到。
搞清它们之间的关系。
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2015年全球前十大粗钢生产国依次为中国(8.0亿吨)、日本(1.1亿吨)、
印度(8960万吨)、美国(7890万吨)、俄罗斯(7110万吨)、韩国(6970万
吨)、德国(4270万吨)、巴西(3320万吨)、土耳其(3150万吨)和乌克兰
(2290万吨)。
仅河北省2014年产钢1.64亿吨以
上，比全球钢产量第二的日本多至
美国的奇普曼Chipman测定了炼钢炉渣基本三元系CaO-SiO2-FeO中的 组元活度
前苏联学者焦姆金和施瓦茨曼提出了炉渣完全离子溶液理论模型
发展期
埃林汉姆-理查森图
吉布斯-杜亥姆方程
深化期
标志：固体电解质快速定氧探头的应用
从此，冶金热力学数据库、计算相图相继出现，进入了运用计算机与 近代测试方法深化研究新阶段。
冶金实例
冶金实例
2、矿石中含有Fe、Mn、S、P、Al、Mg、Ca等多种元素， 但被还原量却不同。原Fra bibliotek：氧化物稳定性问题
冶金动力学
从机理与速率的角度研究冶金反应的规律及其影响 因素。
冶金反应较复杂，包含多个基元反应。通过对其机 理的研究找到速率限制性环节并进行相应更改，可 以提高冶金反应的速率。
国内冶金物理化学的发展
邹元爔 （中科院上海冶金研究所） 发表一系列熔体活度测定方法， 如测定CaO-SiO2-Al2O3渣系的活度。 我国冶金物理化学活度理论研究 的先驱，将冶金物理化学对象从 钢铁冶金、有色冶金延伸到高纯 金属和半导体材料冶金；
国内冶金物理化学的发展
魏寿昆（1907-2014），天津人，中国科学 院资深院士。中国冶金物理化学学科创始人 之一，北京科技大学建校元老之一。德国德 累斯顿工科大学工学博士，撰写书籍《冶金 过程热力学》、《活度在冶金中的应用》。 在冶金热力学理论及其应用中获得多项重大 成果。运用活度理论为红土矿脱铬、金川矿 提镍、等多反应中金属的提取和分离工艺奠 定了理论基础。
3 冶金物理化学研究内容
物理过程 溶凝熔升蒸 解固化华发
相平衡
物热 质传 扩输 散
传输原理
冶金过程理论
化学过程 萃氧还烧焙 取化原结烧
冶金物理化学
3 冶金物理化学基本内容与研究方 向
冶金热力学 冶金动力学与反应工程学 冶金及能源电化学 材料物理化学 计算冶金物理化学 ……
冶金热力学
塞隆系列复合材料 功能梯度材料 氮化硼基复合材料
计算物理化学
通过使用量子等级的微观计算得到了湿法冶金水溶 液及有机溶剂热物理性质数据库。
电磁冶金数值模拟也取得了突破。
4 冶金物理化学的发展历史
开拓期
发展期
深化期
1948
1971
引自：张家芸，冶金物理化学[M]，冶金工程出版社，2014
开拓期
目前有很多近似模型，处于百家争鸣的状态，有待 发展与统一。
冶金电化学
电化学方法在冶金中有广泛应用。 电解铝、精炼铜、电解稀土金属与其合金。 化学传感器、燃料电池、镍氢电池、锂离子电池等。
材料物理化学
应用物理化学、量子化学、近代数学理论，结合计 算机统计模式识别、人工神经网络、遗传算法及分 形研制了一系列新型氧化物与非氧化物复合材料。
研究反应方向和限度，以及影响反应进行的各种因素，以期 控制反应，使其向所需的方向进行，从而探索新工艺、新流 程、新方法和新产品。
手段：通过对冶金体系状态变化前后热力学函数的求算得到。
由体系焓变可知氧气转炉炼钢、铜转炉吹炼冰铜是自热过程→无需补充 能量
由体系吉布斯自由能变可以确定冶金反应进行的条件和方向。1700℃下 吹炼超低碳不锈钢→真空或氩氧混吹
少5000万吨，是美国全国产量的
1.8倍，印度的2.1倍，俄罗斯的
2.33倍，德国的3.85倍，与欧盟27
国的钢产量总合相当。
我国十种有色金属产量为3691万吨，同比增长9.3%，增幅回落 1.3个百分点。其中，精炼铜、原铝、铅、锌产量分别为606万吨、 1988万吨、465万吨、485万吨，同比增长分别为10.8%、13.2%、 9.3%、-5.6%，除原铝外，其他品种增幅均出现回落，原铝依然是有 色金属品种中增长最快的品种。加工材方面，铜材和铝材产量分别 为1168万吨和3074万吨，同比增长分别为11%和15.9%。
由反应平衡常数K可计算在一定条件下反应能进行的限度和生成物的理论 最高产量。
冶金实例
冶金实例
1、高炉炼铁炉顶煤气成分：N2 、CO、CO2，少量H2、CH4 N2<50％， CO（20～25％）、CO2（22～17％） CO+CO2（42～44％）
CO为还原剂且属有毒气体，希望能够在炉内100%消耗。 却无法实现。 原因：存在化学平衡。
allurgy
绪论
冶金行业发展形势 冶金物理化学的地位 冶金物理化学研究内容 冶金物理化学发展历史 冶金物理化学教学安排 冶金物理化学学习方法与要求
1 冶金行业发展形势
2015年全球粗钢产量由2005年的11.5亿吨增加至16.2亿吨，同期，中国
粗钢产量由3.6亿吨增加至8.0亿吨。
将物理化学的基本原理及实验方法应用到冶金过程中，阐 明冶金过程的物理化学规律，为控制和强化冶金过程提供 理论依据。
为去除某些元素保留某些元素而选择合适的冶炼条件（温 度、气氛）。例如炼钢过程。此类问题将由本课程解决。
本学科尚在不断完善发展中。应学会灵活应用，依据冶物 化理论，创造有利反应进行条件，抑制不利反应，提出合 理工艺流程。
国内冶金物理化学的发展
李公达(1905~1971)，湖北人，南开大 学毕业。1931年进入美国密歇根大学 研究院，师从美国著名学者J.chipman 教授，获冶金工程博士学位。
1937年发表《H2-H2S混合气体与Fe中 S的平衡》，论述了铁液中S的行为。
国内冶金物理化学的发展
陈新民（1912~1992），有色金属 冶金先驱，研究火法冶金、湿法 冶金、氯化冶金及熔体热力学理 论。 1947 年 与 J.Chipman 共 同 发 表 《H2-H2O混合气体与Fe液中Cr的 平衡》
铜价为35550元/吨; 铝价为11110元/吨
铅价为13775元/吨; 锌价为13840元/吨
2 冶金物理化学的地位与作用
冶金专业平台课之一。 以普通化学、高等数学、物理化学为基础。 与物理化学相比，更接近于实际应用。 以实验为基础的冶金及材料学科重要分支。 目的：为开设专业课和今后的发展作理论准备。 专业考研科目之一。