1 冶金热力学基础XXXX

r Gmo
/19.147T
129300 19.147T
20.07 19.147
6753 1.04 T
反应平衡常数法
对于
r假Gm定0 r Hm0 为 T常r S数m0，则：
ln
Ko
r
H
o m
/(RT )
[
r
H
o m
/( RT1 )
ln
K1o ]
当T1对应的K10为已知： ln K o A / T B
绪言
冶金学的理论基础
冶金过程热力学：利用化学热力学的原理研究冶金反应过程 的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下 反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温 度、压力、浓度及添加剂的选择）
冶金过程动力学：利用化学动力学的原理及物质、热能、动 量传输的原理来研究冶金反应过程的速率和机理，确定反应 过程速率的限制环节，从而得出控制反应的速率的途径
然后计算个温度的M和ΔM：
1033K
M0
0.5316
M1
0.2615
M2
0.2850
1183K
0.6306
0.3310
0.3151
M M (1183) M (1033) 1650K
0.099 0.892
0.0695 0.5539
0.0301 0.378
M M (1183) M (1033) 0.2614
有相变:
n源自文库
rGm0 (T ) [r H m0 (298K ) trs H m0 T (r Sm0 (298K ) trsSm0 )]
j 1
2
2 n
T ( iMi
bijM ij )
j 1
i1 j1
n
n
K()rSm0 (29trs8HK及m)0 T,(反tr应sSSmm物00()2发]98生K 相) 变，t取rsS负m0 )号] ，生成物发生相变，取
绪言
按提取金属分类
火法冶金：在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化 作业，使其中地金属和杂质分开，获得较纯的金属 的过程。过程可分为原料准备，焙烧、熔炼、精炼、 蒸馏和离析等。所需能源，主要靠燃料燃烧，也有 靠化学反应热的。进行的化学反应则有热分解、还 原、氧化、硫化、卤化、蒸馏等
火法冶金一般具有生产率高，流程短，设备简单及投 资省等优点，但却不利于处理成分结构复杂矿或贫矿
由Gibbs-Helmholtz方程导出
d ( r Gm0 T
)
r
H
0 m
T2
dT
rGm0
r
H
0 m
dT
T
T2
Kirchhoff定律： CP,m a0 a1 103T a2 105 T 2
r
H
0 m
C p,m dT H 0 a0T (a1 103 / 2)T 2
△rGm0＝△H0-△a0TlnT-(△a1X10-3/2)T2-(△a1X10-5)T-1 -…-IT
CP,m a0 a1 103T a2 105 T 2
分部积分化简
rGm0 r H m0 (298K ) Tr Sm0 (298K ) T (a0M 0 a1M1 a2M 2 )
式中：M
0
ln
T 298
298 T
1
M1
1 2T
(T
298)2
103
M 2
1 2
(1 298
1 )2 T
105
1.1化学反应的标准吉布斯 自由能变化及平衡常数
1.1.1 化学反应的等温方程式
化学反应： v1 B1 v2 B2 v3 B3 v4 B4 ... v j B j
n
对于气体： G Go RT ln
pvB B
B
压力商
对于溶液： G Go RT
n
ln
avB B
B
活度商
化学反应达到平衡时，压力商和活度商称为平衡常数，仅与温度有关
298、1033、1183、1650K的 f Gm0。
首先计算 Cp,m (FeO, s) ：
298-1033K： Cp,m (FeO, s) 16.30 18.50103T 1.97 105T 2
1033-1650K： Cp,m (FeO, s) 3.87 6.27 103T 1.97 105T 2
化学反应的等温方程：表示化学反应按化学计量方程式从左向右每单位 反应进度的吉布斯自由能变化
dG
d
vBGB rGm
n
n
改变
RT
ln
和 p vB B
RT
ln
avB B
可改变反应的进行方向
B
B
1.1.2 化学反应的等压方程式
对于一定的化学反应，rGmo 及 K o 是温度的函数：
范特霍夫方程式
LgK0
-0.087
973 10.28 -0.176
1073 9.32 -0.288
1173 8.53 -0.368
1273 7.88 -0.455
1373 7.28 -0.478
作图法： ln K o 1000 /T 1.22
-0.1
rGm0 RT ln K 0 1000
-0.2
19.147T ( 1.22)
绪言
冶金学分类
按内容分类 提取冶金学：研究如何从矿石中提取金属或金
属化合物的生产过程，由于该过程伴随有化学 反应，又称化学冶金。 物理冶金学：通过成型加工制备有一定性能的 金属或合金材料，研究其组成，结构的内在联 系以及各种条件下的变化规律，为有效地使用 和发展特定性能地金属材料服务。包括金属学， 粉末冶金，金属铸造，金属压力加工等。
-0.3
lgK0
T 19147 23.36T
△rGm0与T的简化多项式 将△rGm0＝△H0-△a0TlnT-(△a1X10-3/2)T2-(△a1X10-5)T-1 -…-IT 简化，取 Cp,m c得on出st三项式：
rGm0 A BT ln T CT
J mol 1
rGm0与T的二项式 rGm0 A BT
求解：利用回归分析常用公式 y＝a＋bx
1 冶金热力学基础
本章内容
1.1 化学反应的标准吉布斯自由能变化及平衡常数 1.2 溶液的热力学性质—活度及活度系数 1.3 溶液的热力学关系式 1.4 活度的测定及计算方法 1.5 标准溶解吉布斯自由能及溶液中反应rGm0 的计算
冶金热力学基础：热力学第二定律，它研究冶金反应在一定条 件下进行的可能性、方向及限度
绪言
炼钢：将生铁中过多的元素(C、Si、Mn)及杂质(S、 P)通过氧化作用及熔渣参与的化学反应去除，达到无 害于钢种性能的限度，同时还要除去由氧化作用引入 钢液中的氧(脱氧)，并调整钢液的成分，最后把成分 合格的钢液浇铸成钢锭或钢坯，便于轧制成材
二次精炼：为了提高一般炼钢方法的生产率及钢液的 质量(进一步降低杂质和气体的含量)，而将炼钢过程 的某些精炼工序转移到炉外盛钢桶或特殊反应炉中继 续完成或深度完成
测得不同温度下的K0，以lnK0对该 温度的倒数作图，直线的斜率和截距 即为常数A和B，从而
rGm0 RT ln K 0 RA RBT
例题：P52习题3
解：利用 ln K o A / T B，由各温度测定的反应平衡常数的
lgK0对1/T作图，作图的数值见表1-1。
温度/K
873
（1/T）×104 11.45
温度对平衡移动的影响：
r
H
o m
0 吸热反应，
K o 随温度上升而增大，平衡向吸热方向移动。
r
H
o m
0
放热反应，
K
o
随温度上升而减小，平衡向逆反应方向移动。
r
H
o m
0 无热交换， K o 与温度无关，即温度不改变平衡状态。
1.1.3 标准生成吉布斯自由能 f Gm0 的温度关系式
rGm0 与T的多项式
钢铁冶金原理
主讲：郭宇峰
教材：黄希祜.钢铁冶金原理 第3版.北京：冶金工业 出版社，2002
参考书： 1.陈新民.火法冶金过程物理化学(第二版).北京:冶金工
业出版社,1994 2.傅崇说.有色冶金原理.北京:冶金工业出版社, 1990 3.魏寿昆.冶金过程热力学.上海：上海科技出版社，
1980 联系方式： 1.办公地点：和平楼247 2.电话：13975894856，88830547 3.邮箱：guo.yf@126.com
式中： △H0—积分常数，可由T=298K及△H0(298K)求得 I —积分常数，可由T=298K及△G0(298K) 求得
由吉布斯自由能的定义导出
无相变：
r Gm 0
r
H
0 m
Tr Sm0
r
H
0 m
r
H
0 m
(298K
)
T
298 CP,mdT
r
S
0 m
r
S
0 m
(298K
)
T CP,m dT 298 T
绪言
湿法冶金：一般在常温或低于100℃下，用溶剂处 理矿石或精矿，使所需提取的金属溶解于溶液中， 而其它杂质不溶解。然后再从溶液中提取金属，包 括浸出，分离，富集和提取等工序。由于绝大部分 溶剂为水溶液。故也称水法冶金
湿法冶金一般具有能耗低，过程易控制，能处理各类 矿石。但生产规模及生产率不如火法冶金
绪言
金属的分类
铁金属和非铁金属：前者系指铁及其合金；后者则 指除了铁及其合金以外的金属元素
黑色金属和有色金属：有色金属则是指除铁、铬、 锰3种金属以外的所有金属
冶金的概念及分类
冶金的概念： 是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金
属或金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定 性能的金属材料的学科
正号
j 1
j 1
n
rGm每0 (T个) 相 [变r温H m度0 (的29rG8Kmr0G)(Tm)0不(T包[)tr括rsH[该mr0H温(2m9T度08(2K的9r)8SKm0)(2及98trsKH)tmrs0HmT0(trTsrSS(mm00r)(S]2m908(2K9
j 1
适用于热力学数据较完全和在很宽的温度范围内 讨论反应的平衡状况
例题：计算下列反应的 rGmo 及平衡常数的温度关系式。 Mn(s) FeO(l) MnO(s) Fe(l)
解： rGmo rGmo (MnO, s) rGmo (FeO,l)
(385360 73.75T ) (256060 53.68T )
129300 27.03T
lg K 0
0.2229
0.0629
再计算各温度的 f Gm0(FeO, s,T ) ，利用回归分析法处理得到：
f Gm0 (FeO, s) 264555 68.93T
1.1.4 冶金反应的rGmo求法
利用化合物的标准生成吉布斯自由能计算
对于 有
v1 B1 v2 B2 v3 B3 v4 B4
rGmo (T ) vB f Gmo (B,T )
冶金熔体：是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互 溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍。它 研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组 分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制着反 应的进行
绪言
《钢铁冶金原理开设》的意义
阐述钢铁冶金的物理化学原理及主要的有关冶金 反应进行热力学及动力学的分析，为钢铁冶金学 等课程奠定冶金工艺的基础理论
化学反应自发进行的判据（恒温、恒压）： 吉布斯自由能变化：△G ＝G（产）－ G（反） △G<0 反应正向 △G>0 反应逆向 △G＝0 平衡
T、P、浓度（活度）等外部条件能改变吉布斯自由能变化的 特征，从而使反应向希求的方向进行。
利用反应的△G0可得出反应的平衡常数K0，由此可计算出反应进行的限度
课程内容
1 冶金热力学基础 2 冶金动力学基础 3 金属熔体 4 冶金炉渣 5 化合物的形成-分解及碳、氢的燃烧反应 6 氧化物还原熔炼反应 7 氧化熔炼反应 8 钢液的二次精炼反应
绪言
冶金的起源与发展
远古时代 青铜器时代 铁器时代 20世纪初及中叶
金、银、 铜及陨石铁
铜及其合金
铁
具有工业意义 的元素有75种
绪言
电冶金：利用电能提取和精炼金属的方法 电热冶金：利用电能转变成热能，在高温下提炼
金属，本质与火法同 电化学冶金：用电化学反应使金属从含金属盐类
的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如 铜的电解精炼，可归入湿法冶金，后者称为熔盐 电解，如电解铝，可列入火法冶金
绪言
钢铁冶金过程
炼铁：从矿石或精矿中提取粗金属，主要是用焦炭 作燃料及还原剂，在高炉内的还原条件下，矿石被 还原得到粗金属-生铁，其中溶解来自还原剂中的 碳(4％一5％)及矿石、脉石中的杂质，如硅、锰、 硫、磷等元素
a y bx
b (x x)( y y) (x x)2
例题：P8
n
解：rGm0 (T ) [r Hm0 (298K )
trs H m0 T (r Sm0 (298K )
trs
S
0 m
)]
j 1
2
2 n
T ( iMi
bijM ij )
j 1
i1 j1
参加反应的Fe和FeO在298-1650K内发生两次相变，需分别计算