铝热反应原理

第三章铝热反应原理

铝热焊是基于铝热反应放出的化学热进行的焊接过程。同时，在高温条件下，铝热焊还会伴随多种反应，化学反应的热力学决定了反应是否具备进行的基本条件，即反应是自动进行，还是需要某种条件。冶金热力学的研究对象自然是冶金过程赖以存在的冶金化学变化，物理变化和相变化。

所谓冶金化学反应平衡指的是两项相对独立而又相互联系的内容：在一定条件下反应能否按预定方向自动进行；若能自动进行，则能进行到什么程度或限度．概括起来就是方向和限度问题

在冶金中能量平衡—般表现为热平衡，其基本根据是冶金化学变化，物理变化和相变化中的能量效应，例如放热和吸热在此基础上建立了冶金反应和单元冶金过程的理沦热平衡．从而可计算放热反应(包括燃烧)的最高温度，吸热反应所必需的供热量以及为单元冶金过程的热制度提供依据．动力学的基本任务是研究各种因素（诸如温度、压力、浓度、介质、催化剂）对反应速率的影响，以揭示化学反应与物质结构之间的关系，达到控制化学反应的目的。

第一节铝热反应的热力学原理

一热力学第一定律

对宏观体系而言，热力学第一定律就是能量守恒原理。热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式。通常表述为“能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个

物体，而在转化与传递中能量的总数量总是保持不变。”

二热力学第一定律的数学表达式与焓

1.内能

内能是蕴藏于体系内部的能量，是指体系内分子运动的动能，分子间相互作用的位能，以及原子、电子的运动能和核能的总和。它不包括整个体系的动能以及体系在外力场中的位能。用符号表示为U。

内能是状态的函数。体系从状态A变到状态B，可能有多种路径，但从不同的路径进行变化，最终的内能增量⊿U 是一致的。

2.数学表达式

用数学公式表达，热力学第一定律可以表示为：

⊿U=q-W

其物理意义是：体系所吸收的热量q减去对环境所作功W，等于内能的增量⊿U。

3.焓

当化学反应、相变过程和变温过程是在等压下进行的（通常是一大气压），如果体系除体积功外不作其它功，则有：

⊿U=q p-P外（V2-V1）

由于等压过程中P外=P2-P1

所以有

U2-U1= q p-(P2V2-P1V1)

整理后变为：

（U2+P2V2）-（U1+P1V1）= q p（2-1）由于U和PV都是由状态决定的，显然它的变化值[（U2+P2V2）-（U1+P1V1）]也由体系的始、终态决定而与途径无关。这就是说，U+PV体系的一个状态函数。把这个复合量用H表示，这就是焓。

引入焓的概念，2-1式变为

⊿H=q p

此式说明体系在不做非体积功的情况下，等压过程中所吸收的热等于体系焓的增量。

三铝热反应的化学热效应

铝热反应进行时有剧烈的放热现象。由于应用于铝热焊的铝热反应是在常压下进行，所以可用⊿H来表示等压热效应。

注明了反应热的化学方程式为热化学方程式。

铝热焊的主要化学反应式：

3FeO+2Al＝3Fe+ Al2O3+833.9kJ （2-2）

Fe203十2Al＝2Fe十Al2O3十828.9kJ （2-3）

3Fe3 O4十8Al＝9Fe十 4 Al2O3十3232.4kJ （2-4）

式中：

FeO——氧化亚铁；

Fe2O3——三氧化二铁；

Fe3 O4——四氧化三铁；

Fe——金属铁；

KJ——千焦耳。

钢轨铝热焊就是利用上述反应获得液压金属铁，同时利用上述反应的反应热熔化钢轨母材而进行的焊接过程。

四.热力学第二定律熵

所有自发进行的过程都是符合热力学第一定律的，但并不是所有符合热力学第一定律的过程都可以自动实现。

热力学第二定律揭示的是过程发生的可能性及限度。即回答在一定条件下，那些过程能自发进行（即不需要外界做功）以及自发进行的限度。

自然界中一切自发过程都是有方向的。例如热可以由高温物体传给低温物体。水从高处流向低处。这种方向性的根

T q ds 可

δ=TdS q =可δ本原因就是物体与环境所组成的体系内部存在着某些物理量的差别，这种差别就是过程自发进行的推动力。进行到差值消失时，体系就达到了平衡。

（一）熵的引出

当体系的压力大于环境时，体系膨胀作功，当体系的温度高于环境时，体系传热给环境。对可逆膨胀功δW 可=PdV

一个是体系的强度性质P ，一个是体系的容量性质的变化dV 。与可逆膨胀功比较，对于可逆传热过程，与压力P 对应的强度性质为温度T ，假定有一个容量性质S ，那么容量

那么对应于δW 可性质的变化为dS ，

=PdV 就有： （2-5）

或：

这个容量性质就是熵。

（二）由熵变判断过程进行的方向 热力学第二定律

上面所讨论的是熵在可

逆过程中的变化。在不可逆过程中，熵的变化与T 、q

的关系也可以导出：

假设理想气体的始态为

A ，终态为

B 。 dU 可=δq 可-δW 可

dU 不=δq 不-δW 不

由于内能是状态函

数，体系的始、终态相同，内能变化也应相同

（始态）A B 图2-1

T q dS T q 不可δδ>=T q dS δ≥（不可逆过程） （可逆过程） (2-7) 即：

dU 可= dU 不

δq 可-δW 可=δq 不-δW 不

由于可逆过程所作功比相应的可逆过程小，

即

δW 可＞δW 不

δq 可＞δq 不

或者写成：

这就是热力学第二定律的数学表达式。

对于绝热过程δq=0，则（2-6）式为：

dS ≥0 对于绝热熵永不减少，这个结论称为熵增原理。

在孤立体系中进行的任何不可逆过程都是自发过程，都是由非平衡态趋向平衡态向着熵增大的方向进行。当熵增至最大时，体系达到了平衡，熵值不变。

五 自由能及自由焓

熵的概念实际上在应用上带来很多不便，因为只有在孤立体系的条件下才能应用⊿S ≥0来决定自发过程进行的方向和限度。对于非孤立体系还要考虑到环境的熵变，很不方便。热处理、铸造、焊接、冶金等过程中的相变化及化学反

（不可逆过程） （可逆过程） (2-6)