2014年硕士研究生入学考试初试专业课809冶金物理化学试题

北 京 科 技 大 学

2014年硕士学位研究生入学考试试题

============================================================================================================= 试题编号： 809 试题名称： 冶金物理化学 （共7页） 适用专业： 冶金工程、冶金工程（专业学位） 说明： 所有答案必须写在答题纸上，做在试题或草稿纸上无效。

============================================================================================================= 以下适合所有报考冶金工程专业的考生（但本科为生态学专业的考生不做）

一、简要回答下列问题，每题10分（共70分）

1．对于等温方程式ln G RT K ∅∅∆=-，方程式的左边和右边是描述同一个状态吗？如果是写出所描述的状态，如果不是，分别写出所描述的状态都是什么？它们之间的关系如何？

2. 在Ellingham 图中，试用热力学原理分析，冶炼不锈钢去碳保铬在标态和非标态的最低温度（假设p CO =1）？

3. 已知Fe-Co 是一个二元正规溶液，证明在全浓度范围内，其摩尔混合焓与以纯物质为标准态的活度系数之间的关系为

,ln mix i m i H RT γ∆=（其中，i=Fe,Co ）

4. 对于熔渣反应222()2()11()()22

g g S O S O --+=+,试推导熔渣硫化物容量Cs 的表达式，并讨论其在冶金中的意义？

5. 试证明：在1900K 的温度下，Fe-Ni 二元系溶液中,若Ni 的浓度在满足亨利

定律的范围，则铁液中以纯Ni 为标准状态的Ni 的活度系数Ni Ni γγ∅=。

6. 试解释()d s b J k C C =-和菲克第一定律dC J D

dx

=-所表达的传质通量的物理意义的区别和联系？ 7. 下图是描述气/固反应式为 A (g) + bB (s) = gG (g) + sS (s) 的未反应核模型在某一步为

控速环节的几何表达。试回答下述问题：

1）该图所表达的控速环节是哪一步？ 2）试推导该图所表达的控速环节的速率方程。

二、（25分）已知炼钢炉渣组成如下：

组元 CaO SiO 2 MnO MgO FeO Fe 2O 3 P 2 O 5

)(i w 27.60% 17.50% 7.90% 9.80% 29.30% 5.20% 2.70%

其中，M FeO =72 M MnO =71 M CaO =56 M MgO =40 M SiO2=60 M P2O5=142 M Fe2O3=160

已知：钢液中其他成分为w[Si]=0.1%，w[O]=0.06%。

C C e = 0.14，Si C e = 0.08，C O e =-0.34

()[][]FeO O Fe =+ 12101052.35G T ∅∆=-

[][]O C CO += 2220038.34G T ∅∆=--

假设：渣中存在的复杂氧化物为2CaO·SiO 2 、CaO·Fe 2O 3 、4CaO·P 2O 5。

计算1600℃时，用此炉渣能否脱除w[C]=0.5%钢液中的碳。

三、（25分）在如下相图中的m 点，其质量为m W 。往其中添加质量为12

m W 的纯物质A 后，形成新的溶液。试回答下列问题：

1）分析所形成新溶液体系的冷却过程；

2）在冷却中能获得多少一次结晶的A 和二次结晶A ？

四、（30分）搅拌法是使用CaO 对铁水脱S 一种常用方法，若铁水温度为

1400℃。已知：

1）渣-铁界面上S 的平衡浓度为0.01％；

2）S 在铁水中的扩散是脱S 反应的限制环节；

3）m

s m V A -=0.43cm 2·cm -3, D (s)=4×10-5cm 2·s -1, m δ=0.03cm ，其中，V m 和A m-s 分别为铁水体积和铁-渣界面积，m δ和D (s) 分别为铁渣界面靠近铁水一侧有

效边界层厚度和硫在铁水中扩散系数。

试求：1）写出脱硫反应，并分析脱硫反应的机理；

2）铁水中的[S]含量从0.10％降至0.02％所需的时间；

3）由反应动力学的原理讨论对脱硫反应速率的主要影响因素。

注意：以下仅适用于本科为生态学专业考生，其他专业考生答此题一律作废，成绩记零分，后果自负。

一、填空题（每空1分，共35分）

1 热力学第一定律的数学表达式为: ；若规定系统吸热

为正，放热为负，系统得功为正，对环境作功为负；一绝热、无质量、无摩擦的

活塞将与外界绝热的容器分为体积相等的左右两室，室中均充有n 、p 1、T 1的理

想气体。若右室中装有一电热丝，并缓慢通电加热右室气体，于是活塞逐渐向左

移动，此时，如以右室气体为系统时，此过程的Q （右） 0，W （右） 0；

如以左室气体为系统时，则此过程的W （左） 0，Q （左） 0。

2对理想气体的单纯pVT 变化过程，式dT nC dH m p ,=适用于 过程；

而对于真实气体的单纯pVT 变化过程，式dT nC dH m p ,=适用于 过

程。

3某一系统经历一过程之后，该系统在过程前后△H =△U 的条件是 =0。

4用一绝热隔板将绝热箱分成两部分，分别装有压力、温度均不相同的两种气体。

当将隔板抽走后， 气体便进行混合， 若以整个气体为系统， 则此混合过程的

Q 0， △U 0

5对于系统两个非常接近的平衡态，熵的微分定义式可写 ；

克劳修斯不等式为 ；熵增原理是指 。

6 若一封闭系统系统经历了一不可逆过程后，则该系统的△S ，若

隔离系统内发生了一不可逆过程过程，则该隔离系统的△S 。

7 有2mol 理想气体的导热良好的带活塞气缸放在温度为400K 的大热源中，当气

体从状态1恒温不可逆膨胀到状态2时，从热源中吸收热量1000J ，并对环境作

了为同一温度下不可逆膨胀到相同终态的可逆功的一半，则系统在过程前后的

△S （系）= ，△S （环）= ，△S （隔）= （要求填入具体数值）。

8 吉布斯自由能G 的定义式为 ，对于内部平衡的，只有体积功

的封闭系统d G = 。某一系统经一不作体积功的过程后，其

ΔG =0，则此过程在 条件下进行。

9 Gibbs-Helmholz 公式微分形式为 ，两不同温度下的

积分式为 。

10在一定的T ，P 下，一切相变必然是朝着化学势 的

方向进行。

11 稀溶液中的两个重要的经验定律拉乌尔定律和亨利定律的表示公式分别 和 ，它们的适用条件分别为 ， 。

12 狭义的表面自由能的定义为当保持体系温度、压力、组成 时，增加单位表面积，体系吉布斯自由能的变化，定义表达式为r = 。 13 弯曲液面的附加压力△P 指向 ，在一定条件下，液体分子间的作用力越大，

其表面张力越 。

14 基元反应：)(B )(A ,g g V T −−→−一定，)(A g 的初始浓度为,0,A c 当其反应掉1/3时

所需的时间为2s ，)(A g 所余下的2/3再反应掉1/3所需的时间为