Физическая химия металлургических процессов

Основой металлургии как науки является физическая химия металлургических процессов, которая рассматривает широкий круг вопросов теории химических превращений и изучает влияние физических параметров на химические процессы и химического состава на физические свойства. Умение пользоваться методами физической химии для анализа превращений, совершающихся в металлургических системах, дает возможность выбрать условия, наиболее благоприятные для проведения производственных процессов.

Основные разделы физической химии:

- Строение вещества. В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества.

- Химическая термодинамика – наука о взаимных превращениях различных видов энергии при протекании химических процессов.

- Учение о растворах.

- Электрохимия.

- Химическая кинетика. Изучает скорость и молекулярный механизм химических реакций в гомогенной и гетерогенной средах.

- Учение о коллоидном состоянии веществ и поверхностных явлениях.

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основные понятия и величины термодинамики

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Гомогенной называется такая система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам. Системы, внутри которых такие поверхности имеются, называются гетерогенными.

Изолированная система – это такая система, которая рассматривается как лишенная возможности обмена веществом или энергией с окружающей средой и имеющая постоянный объем.

Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам и ограниченных от других частей системы некоторой поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Фазы, состоящие из одного химически индивидуального вещества, называются простыми или чистыми. Фазы, содержащие два и более индивидуальных химических веществ, называются смешанными.

Основными фазами, взаимодействующими в металлургических системах, являются: газ (газ атмосферы и горения топлива), топливо (составляющая шихты при плавке чугунов в вагранке), твердый углерод (кокс, углеродные электроды при сварке и электродуговом переплаве), флюсы (органические материалы, вводимые в тигель или сварочную ванну для образования шлаков), футеровка (защитная внутренняя облицовка ковшей и плавильных печей), жидкий металл (расплав металла или сплава, расплавленный припой, металл сварочной ванны), жидкий шлак (продукт любого процесса получения сплава).

Термодинамическим процессом называется любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одной термодинамической величины.

Процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого первоначального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается тем или иным путем в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом.

Процессы, происходящие при постоянной температуре, называются изотермическими; при постоянном давлении – изобарными; при постоянном объеме – изохорными.

Адиабатными называются процессы, при которых система не принимает и не отдает теплоты, хотя связана с окружающей средой работой, получаемой от нее или совершаемой над ней.

Обратимый термодинамический процесс определяют как процесс, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние, без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процесс является необратимым.

Термодинамические функции, значения которых зависят только от состояния системы, называются функциями состояния. Их изменение в каком-нибудь процессе зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода из начального в конечное состояние. В круговом процессе изменение любой функции состояния равно нулю.

Функциями состояния являются, например, внутренняя энергия системы U, энтальпия H, энтропия S. При переходе из состояния 1 в состояние 2 изменения этих функций будут равны ΔU=U₂ – U₁; ΔН=Н₂ – Н₁; Δ S=S ₂ – S ₁. Бесконечно малые изменения функций состояния обозначают dU, dН, dS.

Чтобы отличать функции, которые не являются функциями состояния, их бесконечно малые величины обозначают иначе, например, dq, dA – бесконечно малые количества теплоты и работы соответственно.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ