2018 冶金与材料热力学期末试题开卷限时.doc

2018年冶金与材料热力学期末考试试题

（1）开卷考试，可以携带所需的参考书，使用计算器等电子工具，要求独立完成所有的试题；（2）答题时间为4小时；（3）每道题的分数都已经标注在题目的前面；（4）答题时各个部分的题目可以在一定的分数范围内有所选择，答题的总分要求达到100分。

第一部分基础理论题（选择做30・35分即可）

1简答题（5分）：冶金热力学主要的研究目的和理论基础是什么？也就是说冶金热力学主要是用来解决什么问题的？请举一个实例加以说明。冶金热力学与冶金动力学的研究内容之间的主要区别在哪里？请举出实例加以说明。

2简答题（5分）：请分別列出两种平衡常数的测定方法和活度的测定方法，并介绍其中的原理。答：参考课本C

3简答题（5分）：冶金热力学数据在冶金热力学分析中具有极为重要的意义，请问（1）符号△ Gf的中文全称是什么？△心―+ BT的由来和意义；（2）获得某一个化学反应的厶「G/的途径有哪些？

4简答题（5分）：标准态与平衡态是如何定义的？也就是说它们的基本特点有哪些？冶金热力学中常用的标准态有哪些？以A-B -元溶液为例，介绍一下它们之间的换算关系。

5简答题（5分）：可逆过程在热力学中具有极为重要的意义，请结合一个实例，例如理想气体的可逆膨胀过程，指出可逆过程具有哪些基本特征？并讨论可逆过程在热力学中的意义是什么？可逆过程与爛变的计算有什么关系？

6简答题（10分）：请列出等温方程和等压方程，然后在热力学基本关系式的基础上推导出等温方程和等压方程，并讨论等温方程和等压方程的意义。

7简答题（5分）：下图为两种还原剂CO和H?还原铁氧化物的平衡状态图，（1）请简要介绍该图的主要意义，（2）补充ab和cd这两个线段所对应的化学反应方程式，（3）请比较CO和出高于1000°C时的还原能力。

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8简答题（5分）：氧势图由哪几个部分组成的？利用氧势图主要可以解决哪些冶金热力学

中的问题？当两个反应例如2CO + O2 = 2CO2与2Fe + 02 = 2FeO的标准摩尔生成吉布斯自由能直线发生交叉时，这个交点对应的温度有什么意义？当低于这个温度时，在标准态下可以发生什么反应？结合氧势图，请解释一下为什么说碳是万能的还原剂?

第二部分计算题（选做45・50分即可）

1・（5分）利用固体电解质电池Cr, Cr2O3I ZrO2+CaO I [O]Fc测定1600°C钢液中氧浓度。测得的电动势E为319mV,试求钢液小氧浓度[%0]o

已知：2/3Cr（5）+l/2O2=l/3 Cr2O3⑸⑴ AGf =-370047+ 82.44T J.mol1

l/2O2=[O J （2） AGf =-117110-3.39T J.mol"

2.（10分）在1600°C钢液中w[N]二0.005%, w{Cr]=20%,求此时与钢液平衡的氮分圧为多少？己知：〃M=100kPa下，氮在纯铁液中溶解度为H[N]=0.045%。请指出在计算过程中哪一

步采用了重要的假设？否则，计算无法推进。3

4.(10分)当铁矿石中含有锐时，高炉冶炼可以得到含锐生铁，它是提锐的重要原料。为此, 我国开发了雾化提帆工艺，其热力学要点是通过选择性氧化，实现了帆氧化后富集在渣中，而尽量减少碳的氧化。现假设含帆铁水的主要成分为(w(.%) ： w[C]=4.0%, w[V]=0.4%,

vv[Si]=0.25%, w[P]二0.03%, w[S]二0.08%。( 1)试求“提帆保碳"的选择性氧化温度 g; (2) 请判断当温度高于Tv时碳和锐谁将优先氧化？

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已知：-[V] + CO = [C] + -(V2O3) A r G^ =-218013 + 135.227,设P co=latm,得到

的含帆渣中，x(VO)=0.112,活度系数/VA =10_7o

5.(10分)为了净化氮气，将氮气通入600°C盛有过量的铜屑的不锈钢管中以除去其中残

存的氧气，不考虑不锈钢管的影响，同时假设氮气的压强为latmo (1)试计算经过上述处

理后，理论上氮气中残存的氧浓度；(2)当温度升高到800°C，请问残存的氧浓度是会升高还是降低。

已知：4C U(S)+O2=2C U2O(S)AG°=-338200+146.66T J mor1(仅仅考虑热力学条件的

影响，而不考虑动力学条件的限制)

6.(10分)(1)将CaCO3(s)放置于含有^CO2)=12%的气氛中，总压为WOkPa,试求CaCO3(s)分解的开始温度和沸腾温度；(2)将5xW4kg的CaCO3(s)置于体积为1.5xW3m3 的真空容器内，加热到800°C,试求反应结束后CaCOs⑸的残留量。

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己尖口CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(s) lg K° =—-— + 7.53。4

3 (10分)溶解于钢液中的[Cr]的选择性氧化反应为：2[Cr]+3CO = (Cr2O3)4-3[C]o试计算钢液成分为w[Cr]=18%, vv[Ni]=9%, w[C]=0.1%,渣'I' Cr2O3浓度饱和,p C o=100kPa 时,钢液屮[C「]开始被氧化的温度。

己知：2Cr(s)+3CO=Cr2O3(s)+3C(gr) (1) AGf =-735860+318.26T J.mol」；

Cr(s)=[Cr]1%(2) AGf = 19246-46.86T J.mol"；

4 (10分)高炉内冶炼锐钛磁铁矿，生铁组成为(wt.%) : 0.19%Ti, 0.16%Si, 0.42%V,

0.30%Mn, 0.16%P, 0・06%S, 4.24%C；炉渣组成为(wt.%) : 25.53%TiO2, 24.89%SiO2,

25.98%CaO, 7.60%MgO, 15.73%AI2O3, 0.27%V2C)5,试计算熔渣中TiO?被铁液小饱和碳还原的开始温度。

已知：(TiO2)+2[C]珂Ti]+2CO /G°=732280—47&6T J-mofL 假设/= 0.6,炉缸内

CO 分压为2.4x105Pa o