冶金热力学基础
冶金工程班《冶金物理化学》大型作业
冶金工程班《冶金物理化学》大型作业姓名：一、填空题1.金属冶炼中的火法冶金的特点是“一高三多”，三多是指在冶金过程中体系一般为（）共存；冶金反应涉及的液相一般为（）。
2.冶金热力学的理论基础是建立在传统的热力学三大定律：（）定律、反应进行的（）定律和绝对零度不能达到定律。
3.活度的获得方法有（）、（）计算法和（）等计算方法获得。
4.冶金熔渣成分复杂，来源主要有（）、（）、冶炼过程中形成的中间产物和人为加入的造渣物质。
5.动力学具有确定指定过程的（）和明确反应机理或明确指定过程的限制性环节。
6.常见的复杂反应有（）、（）和连串反应。
7.冶金过程中，形成以氧化物为主要成分的熔体，成为冶金炉渣。
冶金炉渣分为（）、（）、富集渣和合成渣。
8.按金属冶炼工艺，习惯是分为（）冶金和（）冶金。
9.冶金过程中一般通过选择（）、（）及添加第三种物质的方法，来预期的目的。
10.常选用的活度标准态有选择（）、（）和以假想质量1%为标准态三种。
11.动力学一般分为（）动力学和（）动力学。
12.热力学具有确定指定过程的（）和确定指定过程的最大进行限度两大功能。
13.化学反应可分为（）反应和（）反应。
14.“气泡冶金”动力学指出，如在电炉氧化时，碳氧沸腾产生大量（），对排除钢中（）起重要作用。
15.活度的获得方法有（）、（）计算法 函数等计算方法获得。
二、判断题1.想溶液的特征是：在形成理想溶液时，由于同类粒子之间的相互作用力相同，所以混合后体积不发生变化，混合焓=0。
（）2.正规溶液的组分的偏摩尔焓与纯组分的摩尔焓之差（即偏摩尔混合热）等于气体常数与绝对温度之和。
（）3. 对二元规则溶液，其活度系数与摩尔分数的关系是不变的。
（ ）4. 在Fe-O 体系中，570℃对应点只与Fe-O 体系本身有关，与还原剂无关。
（ ）5. 在570℃温度时，H 2与CO 的还原能力相同。
（ ）6. 对于大多数钢种来说，磷含量高会引起钢材的“热脆”。
冶金熔体和溶液的计算热力学
冶金熔体和溶液的计算热力学1.引言1.1 概述热力学是研究能量转化和传递的一门科学，它为我们理解和解释自然界中各种现象提供了重要的理论基础。
在冶金过程中，熔体和溶液是广泛存在的物质形态，其热力学性质对于工艺设计和优化至关重要。
熔体是指在高温条件下，物质变为液体状态的物质，而溶液则是指在液体中溶解的其他物质的混合物。
研究熔体和溶液的热力学性质，可以帮助我们理解冶金过程中物质与能量之间的相互作用，探索材料的性能和特性，从而实现冶金工艺的优化和控制。
1.2 目的本文旨在探讨熔体和溶液的热力学特性，以期为冶金工艺的研究和应用提供参考和指导。
具体目的包括以下几个方面：我们将介绍热力学的基本概念和原理，包括热力学系统、状态函数、热力学方程等。
通过深入理解热力学的基本知识，我们可以建立起对熔体和溶液热力学性质的全面认识。
我们将详细讨论熔体的热力学性质。
熔体的特点包括其高温状态、内部结构和相变行为等，这些特性对于冶金工艺的研究具有重要的影响。
我们将探讨熔体的热容、熵、热传导等重要性质，以及在不同温度和压力下的热力学行为。
通过研究熔体的热力学性质，我们可以了解材料在高温条件下的特性，为冶金工艺的设计和操作提供依据。
我们将研究溶液的热力学性质。
溶液是冶金过程中常见的物质形态，其热力学性质对于材料的分离、提纯以及合金化等工艺具有重要的影响。
我们将讨论溶液的热力学行为，包括溶解度、溶液的基本性质和热力学模型等方面。
通过研究溶液的热力学性质，我们可以探索不同物质之间的相互作用，优化溶液的配比和制备方法，为冶金工艺的发展和进步提供支持。
综上所述，通过对熔体和溶液的热力学性质进行研究和分析，我们可以更好地理解材料的特性和行为，为冶金工艺的改进和创新提供理论依据和实践指导。
本文的研究结果将对各类冶金工程师、科研人员和学者具有重要的参考价值，也将为冶金行业的发展和应用做出贡献。
2.正文2.1 冶金熔体的热力学特性冶金熔体是在高温条件下形成的一种流动状态的金属或金属间化合物的混合物。
冶金热力学-第一章[1]
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课程内容
第一章 溶液的热力学性质
第二章 溶液的统计热力学模型
第三章 铁液中溶质的相互作用参数
第四章 铁液中溶质的活度系数
第五章 熔渣的热力学模型(Ⅰ)—经典热力学模型
第六章 熔渣的热力学模型(Ⅱ)—统计热力学模型
第七章 多相多元系平衡计算
第一章 溶液的热力学性质
1.1 溶液及其热力学量
1.2
1.3
i i
（1-6）
dG Gi,m dni
（1-7）
T , P, n j
G (n1 , n2 , )
或
n G
i
i, m
G(n1, n2 , )
（1-8）
方程两边同时微分，并将（1-7）代入，得
G
i ,m
dni ni dGi,m Gi,mdni
（1-9）
两边比较，得
1 2
1 T , P , n2 2 T , P , n1 1 2
强度函数
或强度性质（intensive properties） 特点： 1. 不具加和性。其数值取决于体系自身的特性，与 体系的数量无关。 2. 在数学上是零次齐函数 3. 某种广度性质除以物质的量后成为强度性质（或 两种广度性质相除，由性质1）；两个一次奇函 数相除是零次齐函数。
冶金热力学（2）
郭汉杰 讲授
北京科技大学
教材
冶金物理化学教程
郭汉杰 编著
参考书目
魏寿昆主编，冶金过程热力学，冶金工业出版社，1981
冶金物理化学课程的地位与作用
冶金工程专业本科阶段的必修课； 冶金工程专业本科考研必考课； 冶金工程专业硕士研究生的学位课； 冶金工程专业研究生考博士必考课-专业基础 课； 冶金工程专业攻读博士学位期间必选课； 在未来的工作中非常重要。
合金热力学
合金热力学应用热力学和统计物理研究合金的相图、相变及有关性能等问题的学科。
合金热力学又叫固体热力学或材料热力学，即将研究的对象推广到固体或材料。
合金热力学又叫冶金热力学，则将它推广到广泛的冶金现象。
合金热力学又叫合金能量学，强调它用能量的观点，处理有关合金的问题。
合金热力学的理论基础经典热力学经典热力学是现象理论。
它所依据的是从无数经验归纳出的三个定律，然后从此演绎出许多描述物质平衡性质的关系式。
热力学第一定律是力学中机械能转换和守恒定律的延伸。
若环境对体系作功W，体系又从环境吸热Q，则体系的内能增加ΔU为：ΔU＝W＋Q (1)或 d U＝δW＋δQ (1a)由于U是状态函数,才能写为全微分;而W及Q随过程而有所不同，不能写为全微分。
热力学第二定律指出了过程方向，它的一种表达方式便是熵增原理：d S（总)=(d S（体）+d S(环))≥0 (2)式中d S（体）、d S(环)及d S（总)分别表示体系、环境和总熵的全微分；(2)式中“=”表示平衡关系；“＞”表示过程方向。
熵的概念是在19世纪研究热机效率时提出的：从状态 1到状态 2的热量变化是随途径而异的，而可逆过程的则与途径无关。
人们定义熵S的全微分为：d S呏δQ r/T (3)δQ r是可逆过程的热量变化，T是绝对温度，由于S是状态函数，故可写为全微分。
热力学第三定律是为了计算熵的绝对值的。
凝聚系的熵在恒温过程中改变值ΔS随绝对温度降低而趋于零。
即：(4)从(3)式得到：(5)从(4)式可以证明S0是一个绝对常数，一般选择S0=0。
热力学第一及第二定律分别引入体系的状态函数U及S,为了分析问题的方便，定义了焓H、自由能F 及自由焓GH呏U+p V (6)F呏U-TS (7)G呏H-TS (8)式中p及V分别是体系的压强和体积。
合并第一及第二定律，可以获得关闭体系（与环境没有物质交换）的平衡条件(=)及过程方向(＜)为：(d U)v,S≤0 (9)(d H)p,S≤0 (10)(d F)v,T≤0 (11)(d G)p,T≤0 (12)由于p、V、T、S、U、H、F、G都是状态函数,借助于微分方程，可以导出许多表述物质平衡现象的关系式。
冶金原理 课后题答案
第一章 冶金热力学基础1．基本概念：状态函数，标准态，标准生成自由能及生成焓，活度、活度系数和活度相互作用系数，分解压和分解温度，表面活性物质和表面非活性物质，电极电势和电池电动势，超电势和超电压。
2．△H 、△S 和△G 之间有何关系，它们的求算方法有什么共同点和不同点？3．化合物生成反应的ΔG °-T 关系有何用途？试根据PbO 、NiO 、SiO2、CO 的标准生成自由能与温度的关系分析这些氧化物还原的难易。
4．化学反应等温式方程联系了化学反应的哪些状态？如何应用等温方程的热力学原理来分析化学反应的方向、限度及各种 因素对平衡的影响？5．试谈谈你对活度标准态的认识。
活度标准态选择的不同，会影响到哪些热力学函数的取值？哪些不会受到影响？6．如何判断金属离子在水溶液中析出趋势的大小？7．试根据Kelvin 公式推导不同尺寸金属液滴（半径分别为r1、r2）的蒸汽压之间的关系。
8．已知AlF 3和NaF 的标准生成焓变为ΔH °298K,AlF3(S)=-1489.50kJ ·mol -1, ΔH °298K,NaF(S)=-573.60kJ ·mol -1，又知反应AlF 3(S)+3NaF (S)=Na 3AlF 6(S)的标准焓变为ΔH °298K=-95.06kJ ·mol -1，求Na 3AlF 6(S)的标准生成焓为多少？(-3305.36 kJ ·mol -1)9．已知炼钢温度下：（1）Ti (S)+O 2=TiO 2(S) ΔH 1=-943.5kJ ·mol -1（2）[Ti]+O 2=TiO 2(S) ΔH 2=-922.1kJ ·mol -1 （3）Ti (S)=Ti(l) ΔH 3=-18.8kJ ·mol -1求炼钢温度下，液态钛溶于铁液反应Ti(l)=[Ti]的溶解焓。
冶金原理名词解释
冶金原理名词解释(总8页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除Mingcijieshi第一章 冶金溶液热力学基础—重点内容本章重要内容可概括为三大点：有溶液参与反应的θG Δ、G Δ、溶液中组分B 活度一、名词解释生铁 钢 工业纯铁 熟铁 提取冶金 理想溶液 稀溶液 正规溶液 偏摩尔量X B 化学势μB 活度 活度系数 无限稀活度系数r B 0 一级活度相互作用系数e i j 一级活度相互作用系数εi j标准溶解吉布斯自由能θB S G ∆ 溶液的超额函数生铁:钢:工业纯铁:熟铁:提取冶金:理想溶液:稀溶液:正规溶液是指混合焓不等于0，混合熵等于理想溶液混合熵的溶液称为正规溶液。
偏摩尔量X B 是指指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下，溶液的广度性质X （G 、S 、H 、U 、V ）对组分B 摩尔量的偏导值。
)(,,)/(B k n p T B B k n X X ≠∂∂=。
化学势μB 是指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下，溶液的吉布斯能对组分B 摩尔量的偏导值。
)(,,)/(B k n p T B B B k n G G ≠∂∂==μ。
(P27) 活度是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度。
活度系数是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度时引入的系数。
无限稀活度系数r B 0是指稀溶液中溶质组分以纯物质为标准态下的活度系数。
无限稀活度系数r B 0大小意义*0BHB P K =γ是组元B在服从亨利定律浓度段内以纯物质i为标准态的活度系数是纯物质为标准态的活度与以假想纯物质为标准态的活度相互转换的转换系数是计算元素标准溶解吉布斯能的计算参数)100ln(0)(BA B B m S M M RT G ⋅=∆γθ 一级活度相互作用系数e i j 是指以假想1%溶液为标准态，稀溶液中溶质组分i 的活度系数的lg f i 对溶质组分j 的ωj (%)偏导值，即：0)/lg ((%)→∂∂=A j i j i f e ωω。
冶金原理复习试题(分章)
第一章 热力学基础一、名词解释：（溶液的）活度，溶液的标准态，j i e （活度的相互作用系数），（元素的）标准溶解吉布斯自由能，理想溶液，化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。
二、其它1、在热力学计算中常涉及到实际溶液中某组分的蒸汽压问题。
当以纯物质为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；当以质量1%溶液为标准态时，组分的蒸汽压可表示为＿＿＿＿＿＿；前两种标准态组分的活度之比为＿＿＿＿。
2、反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，G θ∆=268650-158.4T 1J mol -⋅，在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿K 。
该反应为（填“吸或放”）＿＿＿＿＿＿热反应。
当T=991K ，总压为101325Pa 时，该反应＿＿＿＿＿＿(填“能或否”)向正方向进行；在991K 时，若要该反应达到化学平衡的状态，其气相总压应为＿＿＿＿＿＿Pa ；若气相的CO 分压为Pa 5102⨯，则开始还原温度为＿＿＿＿＿＿。
反应MnO(s)+C(s)=Mn(s)+CO(g)，14.158268650-⋅-=∆mol TJ G θ,在标准状态下能进行的最低温度为＿＿＿＿＿＿。
3、理想溶液是具有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿性质的溶液；理想溶液形成时，体积变化为＿＿＿＿，焓变化为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
实际溶液与理想溶液的偏差可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿参数来衡量。
4．判断冶金生产中的化学反应能否向预想的方向进行，在等温、等压下用＿＿＿＿热力学函数的变化值；若该反应在绝热过程中进行，则应该用＿＿＿＿函数的变化值来判断反应进行的方向。
5．冶金生产中计算合金熔体中杂质元素的活度常选的标准态是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
对高炉铁液中[C]，当选纯物质为标准态时，其活度为＿＿＿＿，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
6．物质溶解的标准吉布斯自由能是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；纯物质为标准态时，标准溶解吉布斯自由能为＿＿。
2010冶金物理化学期末辅导(1)
2010年度冶金物理化学期末辅导郭汉杰北京科技大学说明把各个知识点划分成三个等级；1）最重要的等级――“重点掌握”2）第二等级――“掌握”3）第三等级――“了解”1. 冶金热力学基础冶金热力学基础(4点)：●体系的自由能[☉纯物质i 的自由能、☉溶液中i 的自由能、☉气相中i 的自由能、☉固相中i 的自由能]； ●等温方程式； ●等压方程式； ●化学反应的标准自由能计算{2点：☉微、积分法（对结果进行最小二乘处理，使其变为二项式）、☉用已知的自由能（标准生成、溶解、自由能函数）}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）体系中组元i 的自由能（J/mol ）ln i i i G G RT a ∅=+注：实际上应该是组元i 的化学位i i i a RT ln +=∅μμ (J/mol)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ln i i i G G RT P ∅=+i i P P P∅'=i P '－i 组分气体的实际压强，Pa ；P ∅－标准压强，Pa ，也即Pa 51001325.1⨯。
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 ln i i i G G RT a ∅=+其中，i a ----组元的活度，其标准态的一般确定原则是：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，i X ；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 ln i i i G G RT a ∅=+i a 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，其浓度为摩尔分数，i X ； 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。
冶金过程中的热力学计算和实验研究
冶金过程中的热力学计算和实验研究冶金行业是指针对金属和非金属矿物资源进行提炼、冶炼、合金化等加工过程中的行业。
在冶金加工过程中，热力学计算和实验研究是至关重要的环节，能够为工程师和研究人员提供预测和控制生产过程的理论和实践依据，促进技术发展和产品质量提升。
1. 热力学计算在冶金中的应用冶金加工过程中，各种金属、合金及非金属物质的化学反应均与热力学有关。
热力学计算是应用热力学原理和方法，对冶金过程中所涉及的物质相平衡、化学反应等过程进行研究，以该过程的热力学数据为基础，计算出反应的热力学、热学和动力学参数，从而对反应进行预测和调控的一种技术。
例如，在冶金冶炼过程中，通过热力学计算可以确定反应平衡常数、反应速率常数、反应热、反应焓、反应熵等热力学参数，为反应的优化设计和控制提供了重要的信息。
2. 实验研究在冶金中的重要性在冶金加工过程中，实验研究是验证和应用热力学计算结果的重要手段。
通过实验研究，可以建立基于实验数据的反应参数模型，验证理论计算的准确性，提高技术运用的可靠性和精度。
例如，在金属材料的淬火过程中，通过实验测量样品的冷却曲线，可以确定材料的冷却速度和硬度，根据热力学计算的结果，优化淬火工艺参数，提高材料的强度和耐磨性。
3. 热处理工艺的研究热处理工艺是指用热能使材料发生相变或微观结构变化，以调控材料性能的一种工艺。
在冶金加工中，热处理工艺的研究是重要的研究方向之一。
例如，高温钢材的热处理工艺研究，通过热力学计算和实验研究，可以确定热处理参数，优化热处理工艺，提高钢材的抗氧化性和耐热性。
4. 冶金材料的构造与性能关系研究冶金材料的构造与性能关系研究是冶金加工的核心和重点研究方向之一。
通过研究材料的晶体结构、微观形貌和化学成分等特征，进一步深入理解材料的物理和化学性质，开发出可控性能的材料。
例如，在金属材料合金化研究中，通过热力学计算和实验研究，定制合金元素的含量和比例，获得具有优异机械和物理性能的金属合金材料。
冶金热力学基础知识
ln
pi p
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1.1.1.2 等温、等压方程
• 公式的意义：
– ① 自由能的绝对值无法知道，其实也不 必知道。通过上面两式找到了自由能的表 达式，这样就是可以写出自由能差值的表 达式，这才是我们最关心的。
– ② 物质的蒸气都认为是理想气体，上面 两式就成为推导溶液化学势表达式的基础。 这一点极为重要。
r Gm
r
H
m
T r Sm
导出：
HT
H
298
把两个式子：
T
298 CPdT
带入上式中
ST S298
T CP dT 298 T
进行变形处理，得到
GT
H
298
T
S
298
T
T dT T 298 2
T
298 CPdT
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积分得到：
GT0
H
0 298
T S2098
T
a
Cp,m a bT cT 2 cT 2
Cp,m a0 a1T a2T 2 a2T 2
讨论：
① a、b、c′、c可以从热力学数据手册查到，而且大部分
物质的c = 0。
② 影响最大是a、b两项。
2021/7/7
1.1.1.1 热化学的基础知识
• 焓变
– 在本书中研究的焓变都是恒压条件下的，也即恒 压热效应；
第二步：将第一步求得的各个函数值带入代入式(1-7)求积分常数 H0 ，
544080
H
0
36.66
298
36.496 2
103
2982
4.948105 298
由此得到 H0 =-555045 J/mol。
湿法冶金原理目录——马荣骏
目录1 湿法冶金热力学基础1.1 热力学的基础知识1.1.1 内能1.1.2 焓1.1.3 热容1.1.4 物质的摩尔焓和反应热1.1.5 熵和自由能1.1.6 偏摩尔量1.1.7 相对摩尔量1.1.8 混合热力学性质1.1.9 化学势1.1.10 过剩函数1.1.11 标准溶解自由能及相互作用系数1.2 水溶液热力学1.2.1 电解质的离解1.2.2 金属盐溶液1.2.3 溶解热和冲淡热1.2.4 水溶液中的反应热1.2.5 水溶液中离子的生成热1.2.6 离子的标准生成自由焓1.2.7 离子的标准熵及离子熵的对应原理1.2.8 半电池反应及电子热力学性质1.2.9 在有离子参与时反应的△GT求法1.3 水溶液中溶解物质活度系数1.3.1 单一电解质溶液的渗透系数及活度系数1.3.2 混合电解质溶液活度系数的计算1.3.3 单一离子的活度系数参考文献2 热力学平衡图2.1 二元系的P-T（压强－温度）图2.2 金属化合物的标准生成自由能与温度的关系图2.2.1 MGO的△FGM-T线2.2.2 氧化物的△FGM-T图2.2.3 专用标尺的作用2.3 优势图2.4 电位－PH图2.4.1 电位－PH图说明2.4.2 电位－PH图的结构原理与方法2.4.3 CU-H2O系电位-PH图2.4.4 CU-NH3-H2O系电位-PH图2.4.5 绘制的同时平衡电位-PH图的新方法2.4.6 相律对电位-PH图的应用2.5 高温下的电位-PH图2.5.1 高温下水溶液体系热力学性质的计算2.5.2 高温下NI-H2O系的电位－PH图2.6 热力学平衡图拓扑学2.6.1 热力学平衡图平衡2.6.2 含有假二元相的三元系参考文献3 化学平衡3.1 化学反应的等温方程式3.2 质量作用定律及平衡常数3.3 单相化学反应平衡计算3.4 复杂体系的化学平衡3.4.1 反应进度及转化率3.4.2 反应条件对反应进度的影响3.4.3 同时平衡3.4.4 原子矩阵3.4.5 化学计量系数矩阵3.4.6 迭代法计量化学平衡3.4.7 最小自由能法计算化学平衡参考文献4 基础动力学5 溶解度6 预处理的理论7 浸出过程的原理8 液固分离的原理9 浸出液脱铁、脱硅的原理10 溶剂萃取11 离子交换12 膜分离的理论13 净化除杂和制取金属、金属粉体材料的原理14 微生物湿法冶金原理15 湿法冶金电化学及电积过程的理论后记。
09冶金物理化学-第二章-热力学参数状态图
MOCOM CO2
当反应平衡时，其反应的平衡常数与CO和CO2的关系如下：
K p CO 2 p CO %CO2 %CO
%CO2 100 K 1 K %CO 100 1 K
根据标准自由能的温度表达式，可以得到％CO或 ％CO2对应的温度值。进而给出了%CO还原铁的 平衡图，即著名的叉字图。
在仅作膨胀功的条件下△Go为负值，平衡时△G=0，
G RT ln
p'O2 P
( Rln
p'O2 P
)T ( Rln p'O2)T
10 可以得到经过0点斜率为RTlnPO2的直线，即PO2标尺
11
PO2标尺的用途： －利用 PO2 标尺可以直接求出某一温度下金属氧化物的 平衡时的分解压强；
2．连续原理 当决定体系状态的参数连续变化时，若相数不变， 则相的性质及整个体系的性质也连续变化；若相数 变化，自由度变了，则体系各相性质及整个体系的 性质都要发生跃变。 3．相应原理 对给定的热力学体系，互成平衡的相或相组在相图 中有相应的几何元素（点、线、面、体）与之对应。
27
2.3.1 二元系相图基本类型
在埃林汉图的基础上，理查森和杰佛斯又增加了一 些相关的辅助坐标，给出了PO2标尺和PCO/PCO2标尺。 从而使埃林汉图使用更加方便。 需要注意：在上述3种不同的情况纵坐标的物理量是
不同的。
利用金属与氧反应的平衡氧分压，可以得到埃林汉 图，即氧势图。同理金属与硫和氯反应也可以得到硫势 图和氯势图。 在氧势图上也可以得到PH2/PH2O标尺，其与PCO/PCO2
冶金物理化学
第一部分 冶金热力学 胡 晓 军
《冶金热力学基础》课件
推动新材料研发
通过研究金属及其化合物 的热力学性质，有助于发 现和开发具有优异性能的 新材料。
冶金热力学的发展历程
早期发展
冶金热力学起源于古代冶金实践 ，随着金属加工技术的发展而逐 步形成。
近代发展
20世纪以来，随着科学技术的进 步，冶金热力学在理论和实践方 面取得了重大突破。
现代发展
现代冶金热力学与计算机技术、 数值模拟等相结合，为冶金过程 的优化提供了强有力的支持。
金反应的平衡和过程方向具有重要意义。
03
冶金反应的平衡与过程
化学平衡
化学平衡的概念
化学平衡是化学反应进行到平衡状态时的一种动态平衡， 此时正、逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发 生变化。
化学平衡的建立
化学平衡是在一定条件下建立的，条件包括温度、压力、 浓度等。在冶金反应中，化学平衡的建立对于确定反应方 向、反应限度以及反应速率具有重要意义。
05
冶金热力学的应用实例
钢铁工业中的应用
钢铁生产过程中，冶金热力学提供了 高温反应过程的理论基础，如高炉炼 铁、转炉炼钢和连铸连轧等工艺流程 。
热力学原理在钢铁工业中用于优化工 艺参数、提高产品质量和降低能耗等 方面，例如通过热力学分析确定最佳 的炼钢温度和吹氧强度。
有色金属工业中的应用
在有色金属工业中，冶金热力学为铜 、铝、锌等金属的冶炼、电解和精炼 过程提供理论支持。
绿色冶金与资源循环利用
随着环保意识的提高，绿色冶金和资源循环利用成为冶金工业的重要发展方向。冶金热力学将在绿色冶 金和资源循环利用方面发挥重要作用，为节能减排和可持续发展提供理论支持。
对冶金工业的影响与贡献
提高冶金过程效率
冶金热力学对冶金过程的研究，有助于深入了解冶金反应的机理和 热力学性质，为优化冶金工艺未来发展方向
金属冶炼过程中的热力学分析
高效、环保的金属冶炼技术的研发
熔盐电解法
利用熔盐作为电解质，通过电解方法高效提取金属，降低能耗和环境污染。
生物冶金技术
利用微生物进行金属提取和分离，实现环保、高效的金属冶炼。
热力学与其他学科的交叉研究在金属冶炼中的应用
要点一
化学热力学
要点二
流体力学
研究金属冶炼过程中化学反应的方向和限度，为优化工艺 提供理论支持。
通过热力学分析，可以优化工艺参数，提高金属的提取率和降低 能耗。
预测反应方向和限度
利用热力学数据和定律，可以预测反应是否能够自发进行以及进行 的程度。
指导资源利用和环境保护
通过热力学分析，可以合理利用资源，减少废弃物产生，降低对环 境的影响。
03 金属冶炼过程中的热力学分析
金属氧化还原反应的自由能变化
熔化过程对金属的冶炼、铸造和连铸连轧等工艺过程具有重要影响，因此 热力学分析有助于优化金属的熔炼工艺和提高产品质量。
04 金属冶炼过程中的热力学优化
热力学优化在金属冶炼中的应用
确定最佳反应条件
通过热力学分析，可以确定金属 冶炼过程中最佳的反应条件，如 温度、压力和配料比等，以提高 金属的提取率和纯度。
目的
金属冶炼的目的是为了获得具有所需 性能和纯度的金属或合金，以满足工 业、科技、生活等方面的需求。
金属冶炼的基本流程
氧化焙烧
通过氧化反应将矿石中的有价 金属转化为可溶性的氧化物。
净化与分离
通过沉淀、萃取、离子交换等 方法，将有价金属从溶液中分 离出来。
矿石准备
将矿石破碎、磨细，以便进行 后续的化学或物理处理。
自由能变化是判断氧化还原反应能否自发进行的重要依据。在金属冶炼过程中，通过控制反应条件， 如温度、压力和反应物浓度，可以影响自由能变化，从而控制反应方向和速度。
冶炼计算基础公式
冶炼计算基础公式冶炼是将金属矿石或废料经过一系列物理和化学过程，分离出金属元素的过程。
在冶炼过程中，计算基础公式是非常重要的，它们帮助工程师和冶金专家准确地计算和预测冶炼的效率和结果。
一、矿石计算基础公式：1.矿石含量计算公式：矿石含量=（矿石中目标金属的质量）/（总矿石的质量）×100%2.累计恢复率计算公式：累计恢复率=（目标金属的产量）/（原材料中目标金属的理论含量）×100%二、反应热力学计算基础公式：1.热力学平衡常数计算公式：Kp=（反应物各组分的活度的乘积）/（生成物各组分的活度的乘积）2.热力学平衡常数与反应热计算公式：ΔH = - RT ln(Kp)三、物料平衡计算基础公式：1.物料平衡方程式：总输入=总输出+总累积2.物料平衡计算公式：物料输入=物料输出+物料累积四、能量平衡计算基础公式：1.能量平衡方程式：总输入能量=总输出能量+能量转化+能量累积2.能量平衡计算公式：能量输入=能量输出+能量转化+能量累积五、热力学计算基础公式：1.热力学平衡常数计算公式：Kp=（生成物各组分的浓度的乘积）/（反应物各组分的浓度的乘积）2.热力学平衡常数与反应热计算公式：ΔH = - RT ln(Kp)以上只是一些基础的计算公式。
在实际冶炼过程中，还涉及更复杂的计算，包括流体力学、传热学、迭代计算等。
这些公式和计算方法在冶炼工程中发挥着重要的作用，帮助工程师和冶金专家分析和解决冶炼过程中的问题，提高生产效率和产出质量。
冶炼计算是一个复杂的过程，需要结合实际情况进行合理的选择和应用。
因此，深入理解这些基础计算公式的原理和应用场景，并在实际操作中灵活运用，才能取得更好的冶炼效果。
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如熔化、结晶、蒸发、 凝结或同素异形变化时， 它吸收或放出一定的热 量，如为等压过程，则 可由焓变来计算，为该 物质在温度T的相变焓。
二、热与焓 1. 焓和热的关系 冶金中最常见的的恒压下，此时有 QP=ΔU+PΔV 或 δQP= dU + PdV =d（U+PV） （1-7） 取H=U+PV（焓的定义式），则有 dH=δQP （1-8）
H为状态函数，其热值只取决于体系的始末态，与过程的具体途径无关。
2. 几点说明 （1）由推导可知U一样，也无法知道H的确定值，但可 测得其变化值。通常利用一个取为标准的状态为参考点，得出 过程状态变化时的ΔH。 （2）标准状态：对一个元素来说，标准状态是在25ºC（298K）和压 力为一大气压下，它能稳定存在的状态，此时ΔHº=0，其。如 298K时为固态的元素，ΔHº298=0。对298K时的气态元素，在 101325Pa时，ΔHº298=0。 （3）化合物的标准生成焓：标准状态下，由稳定单质生成1mole某化 合物的反应的焓变ΔH。
dU=δQ+δW （1-2）
符号：Q表示热能，W表示体系状态变化所做的功
d表示微分, δ表示微小变化。 变量δQ和δW取决于经
过的路径，而dU仅取决于始末态。
2. 几点说明 （1）对一个孤立的体系，热力学第一定律实际即为能量守恒定律； （2）功W可以是机械功或者是某种其他形式的功（而是化学的等
等），机械功一般是由压力引起的，并可表示为-PdV，如果 以W´表示非机械功，则有d U=δQ-PdV+δW´（1-3） （3）各参量的正负号问题，在（1-1）中，吸热时Q为正，环境对体 系做功时W为正。
1.1 引言
热力学的性质和研究内容： 热力学适用于宏观体系，它的基础主要是热力学第 一定律和热力学第二定律。这两个定律是人类长期实践 经验的总结，有其广泛、坚实的实验基础。将热力学基 本原理用于研究冶金过程、化学变化及相关的物理现象
即为冶金热力学。 其中第一定律用于研究这些变化中的能量传化问题， 第二定律用于上述变化过程的方向、限度以及化学平衡
三、热容与过程所需热的计算
1、热容的定义 热容是热力学计算的重要物理量，它是物质在某条件下温度升高（或
降低）一度吸收（或放出）的热量。单位质量的物质的热容为比热，单位 为kJ·k-1·kg-1。摩尔物质的热容称为摩尔热容，单位为J·k-1·mol-1。热容和比 热与物质的性质、状态、数量单位、温度、加热条件等有关。
特点，将复杂过程分解成若干个上述的单一过程的组合。
四、热和功 热和功是体系发生变化时与环境交换能量的两种形式。它们都不是体系
的性质。热和功都用能量单位，常用焦耳（J），千焦耳（kJ)表示。 体系与环境之间由于温度的不同而传递的能量为热，以Q表示。 体系与环境之间传递的其他形式的能量统称为功，以W表示。
第一章 冶金热力学基础
1.1 引言 1.2 热力学基础 1.3 能量守恒——热力学第一定律 1.4 热力学第二定律 1.5 化学平衡 1.6 溶液 1.7 表面现象及其热力学 1.8 电化学现象及其热力学
本章要点
本章是对物理化学相关知识的浓缩与总结， 是本书内容的基础，相关知识点较多，主要有如 下几个方面： 1. 热力学第一定律与第二定律的表达式及其内涵； 2. 焓、熵、自由能的含义、作用及计算； 3. 化学反应等温式的应用； 4. 非理想溶液、活度的概念及其应用； 5. ΔGº—T关系图、区位优势图的绘制及其应用； 6. Kilven公式及含义； 7. 能斯特方程与电极电位。
示这种关系，即称为状态函数。 由于体系状态和状态函数是单值对应的，所以，状态函数的变化只取决
于体系的初始态，而与体系变化所经历的路径无关。
三、过程和途径 体系状态所发生的变化称为过程，常见的过程有：（1）等温过程；（2）
等压过程；（3）等容过程；（4）绝热过程；（5）可逆过程； 对复杂的冶金过程，一般无法用单一过程描述，但可以结合状态函数的
和相平衡的理论。 概括起来，热力学研究的内容为：方向和限度问题。
冶金动力学包括：微观动力学和宏观动力学 热力学
局限性：热力学方法的特点是既不考虑物质内部 的微观结构，也不涉及过程的速率和机理。这一特点 决定了它的局限性，即只指出某一变化在一定条件下 能否发生，若能发生，其方向和限度如何，而无法解
释发生的道理，也不可能预测实际产量。 只预测反应发生的可能性，而不问其现实性；
一摩尔体系在等容和等压过程温度改变一度所需热量分别叫作等压摩 尔热容CP，m和等容摩尔热容CV，m。
（1- 9）
（1-10）
2、热容的表述 摩尔热容是一个温度函数，其值可通过实验测定。在科技手册中
可查到物质不同温度下的热容，有的用数据表示，有的用CP—T关系曲 线表示，更多的是采用CP，m=f（T）的函数关系表示，常用的函数格 式为
五、内能 内能是体系内部储存的总能量，常用U表示，单位为KJ或J。 内能绝对值的不可知性。当体系状态改变后，内能的变化常以功、能的 形式表现出来，而这一部分能量是可测的，所以，常用到内能的变化值ΔU。 内能是体系的性质，是状态函数。
一、热力学第一定律 1. 热力学第一定律的数学表述
ΔU=Q+W （1-1）
（1-13）
（1-14）
式中 a，b，c，c´ 是各物质的特性常数，它随物质种类 、相态及 温度的变化而变化。大多数纯物质的这些常数可在有关手册中查到。
冶金动力学包括：微观动力学和宏观动力学
1无相变时
2有一个相变过程
热焓变化为 由于相变过程的焓变为 一常数对相变和温度变 化同时存在的过程，可 分段进行计算。
只指出反应的方向、变化前后的状态，而不能得出变 化的速率。
一、系统与环境 热力学中将研究的对象作为体系，体系以外与体系
密切相关的其他部分称为环境。
二、体系的性质、状态、状态函数 体系表现出来的宏观性质称为体系的热力学性质，也称热力学变量。如
质量、温度、体积、压力、密度、表面张力、电导率等。 因体系的各性质之间有一定关系，在一定状态下，可以采用数学函数表