钢铁冶金原理第一章 冶金过程热力学基础1剖析

K
RT 2 ln K T
p
G 0
第一章 冶金过程热力学基础
由Gibbs-Helmhotltz方程可得：
G H T G T p
即：
G0
H 0
T
G0 T
p
T
G0 T
p
H 0
T
G0 T
p
RT 2
ln K T
p
ln K T
p
Tt
p2
第一章 冶金过程热力学基础
将纯物质由室温的固体加热到气体，全过程的热效应：
H
Tt 298
C
ps1dT
Ht
Tf Tt
C ps 2 dT
H
f
C Tb
Tf pl
dT
Hb
T
Tb C pg dT
式中：H t ，H f ， H b ：固体相变，熔化，蒸发热； Tt ， Tf ， Tb ：固体相变温度，熔点，沸点 ； C C ps1 ， ps2 ，C pl ， C pg ：固体1，固体2，液体，气体等压热容；
一、焓H：H U pV (U：内能)
焓H又称为热焓，它是体系的状态函数。一个体系 在等压下发生状态变化时，其焓变即为该过程的热效应。
T2
q p H C pdT H 2 H1
T1
备注：U：体系内质点所具有的总能量。
第一章 冶金过程热力学基础
二、熵S： 熵也是体系的状态函数，体系中质点排列的状态数越
若已知某一温度 T1下化学反应的热效应 H T1，可根据kirchhof定
律(基尔霍夫等压定律)求出另一温度T下的热效应 H T：
T
HT HT1 T1 C p dT
Cp Cp产物 Cp反应物
第一章 冶金过程热力学基础
通常：H T
H 298
T
298 C p dT
其中：H
298可根据热力学数据表求出，而C
一、物理变化过程中热效应的计算
纯物质的加热和冷却是一个物理变化过程，其过程焓变
可用kirchhof公式计算，对于等压加热过程：
H qp
T2 T1
C
p
dT
， Cp f T
cal g.k
当有相变发生时，若相变温度为 t (℃)，相变热为 H t
则：
H
Tt T1
C p1 dT
Ht
C dT T2
G 0 ，即 J a K G 0 ，即 J a K
，逆向进行； ，达平衡。
第一章 冶金过程热力学基础
二、平衡常数与温度的关系：
化学反应的G0 与K只是温度的函数： G0 RT ln K
等压下等式两边对T微分：
G T
0
p
R ln
K
RT ln K T
p
两边同乘以T：
T
G T
0
p
RT ln
是温度的函数。
p
Cp a bT cT 2 ， Cp a b cT 2
§1.1.4 化学反应自由能的变化
一、化学反应的等温方程式：
化学反应的自由能变化
G Gp GR
第一章 冶金过程热力学基础
在标准状态下： G0
G f
0
p
百度文库
G
f
R
0
G f 0 ：标准生成自由能
对于理想气体(等温下)： Gi Gi0 RT ln p
多，越混乱，S值越大，自发过程总是向着熵增大的方向
进行。
dS q可
对于可逆过程，
T
dS q可
T
S
S2
S1
q可 T
不可逆(状态变化时) 可逆
绝热过程： dS 0
不可逆(自发) 可逆
第一章 冶金过程热力学基础
三、吉布斯自由能G： G H TS
G H TS
对于等温等压过程， G 0 自发 平衡状态
钢铁冶金原理
⑴ 冶金过程热力学研究的主要任务： 利用化学热力学原理，分析计算冶金反应过
程的热力学函数变化，判断反应的可能性、方向 性及最大限度。
⑵ 冶金过程动力学研究的主要任务： 利用化学动力学原理，分析计算冶金反应进
行的途径、机理及速度。
主要内容
第一章 冶金过程热力学基础：热力学基础，反应热力学分析 第二章 冶金过程动力学基础：动力学基础，反应动力学分析 第三章 铁的还原：铁氧化物还原的热力学，动力学分析 第四章 碳的氧化反应：风口前碳的燃烧，生铁渗碳，炼钢脱碳 第五章 硅，锰，铬，钒等元素的氧化和还原 第六章 磷的去除：脱磷的热力学及动力学分析 第七章 硫的脱除：脱硫的热力学及动力学分析 第八章 脱氧：脱氧的热力学动力学分析 第九章 钢中的非金属夹杂物、来源，对钢性能的影响，去除
第一章 冶金过程热力学基础
二、化学反应热效应计算
定义：⑴ 热效应：化学反应过程伴随着热量的吸收和放出，在 等容等压下进行的化学反应，当反应物与生成物温度相同 时，放出或吸收的热量称为化学反应的热效应。 ⑵ 盖斯定律：化学反应的热效应只与反应的始末状态有 关，而与反应过程无关。因此化学反应式及热效应可以加 减乘除计算。
第一章 冶金过程热力学基础
主要内容：
§1.1 化学反应的热效应及自由能变化 §1.2 溶液的热力学性质(活度及活度系数) §1.3 标准溶解吉布斯自由能 §1.4 多元溶液中溶质活度的相互作用系数 §1.5 冶金炉渣理论和性质 §1.6 氧化还原反应热力学
第一章 冶金过程热力学基础
§1.1 化学反应的热效应及自由能变化 §1.1.1 热力学函数(体系的状态函数）
对于气体物质间的化学反应：
aA bB cC dD
等温下：
G G0 RT ln J p
Jp
pCc . pDd
p
a A
.
p
b B
（ 分压商）
第一章 冶金过程热力学基础
平衡态： G 0
，
G0 RT ln J p平 RT ln K
G RT ln K RT ln J p （等温方程式）
对于有溶液参加的化学反应：
Gi Gi0 RT ln ai
( 即：i i0 RT ln ai )
G G 0 RT ln J a
Ja
aCc
.a
d D
a
a A
.a
b B
（活度商）
G0 RT ln K
第一章 冶金过程热力学基础
等温方程式： G G 0 RT ln J a RT ln K RT ln J a
等温等压下，化学反应自由能的变化是反应进行方向、限度的判据： G 0 ，即 J a K ，正向进行；
§1.1.2 热力学函数之间的关系
根据U、H、S、G等热力学状态函数的定义及其性 质可得出共同的关系式：热力学函数之间的基本关系式 （见下图）。
，
另： dSU,V 0
第一章 冶金过程热力学基础
在不同的条件下，可根据不同的热力学平衡判据，判断 过程进行的可能性、方向性及最大限度。
§1.1.3 热效应的计算