Термодинамические характеристики расплавов на основе железа

Узнать стоимость написания работы

1 ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ


1.1 Основные понятия


1.1.1 Энтальпия.

Величина равная (E+PV) , часто встречается в термодинамических расчетах процессов, происходящих в системах при постоянном давлении; её обозначают через Н и называют энтальпией и иногда теплосодержанием.

Т

(1)

аким образом,

,

где Е – внутренняя энергия системы;

Р – давление в системе;

V – объем.

Из определения энтальпии следует, что она, подобно энергии, является функцией состояния системы, так как она выражена через энергию (функцию состояния) и переменные состояния P и V. Следовательно, изменение энтальпии для любого термодинамического цикла (циклического процесса) равно нулю.

Если процесс не циклический, то при постоянном давлении изменение энтальпии системы равно полученной ею (системой) теплоте:

(2)

.

Таким образом, для изобарического процесса обмениваемая между системой и внешней средой теплота представляет разность между начальной и конечной энтальпией самой системы и не зависим от пути достижения конечного состояния системы. Этот вывод следует из уравнения (2) и первоначально установленного факта, что энтальпия системы является функцией только её состояния. Следует подчеркнуть, что уравнение (2) применимо только к системе при постоянном давлении, так как теплота q вообще является не только функцией начального и конечного состояний, но зависит также от пути процесса. [2]

1.1.2 Энтропия.

Пусть две системы с термодинамическими вероятностями W1 и W2 образуют одну сложную систему, для которой термодинамическая вероятность W1+2. Так как каждый способ, которым осуществляется состояние первой системы, может сочетаться со всеми способами осуществления второй системы, то общее число способов, которыми может быть осуществлена сложная система, составляет:

(3)

Это свойство мультипликативности делает функцию W неудобной для непосредственных расчетов. [1]

Х

(4)

арактеризовать в этом смысле состояние системы оказалось удобнее не самой вероятностью осуществления данного макросостояния, а величиной, пропорциональной её логарифму. Эта величина называется энтропией. Энтропия (S) связана с числом (W) равновероятных микроскопических состояний, которыми можно реализовать данное макроскопическое состояние системы, уравнением:

где k – коэффициент пропорциональности

Наименьшую энтропию имеют идеально правильно построенные кристаллы при абсолютном нуле. Энтропия кристалла, в структуре которого имеются какие-либо неправильности, уже при абсолютном нуле в несколько раз больше, так как нарушения идеальности могут реализоваться не единственным способом. С повышением температуры энтропия всегда возрастает, так как возрастет число способов их расположения. Возрастает она также при превращении вещества из кристаллического состояния в жидкое и, в особенности, при переходе из жидкого состояния в газообразное. Изменяется энтропия и при протекании химических процессов. Эти изменения обычно особенно велики в случае реакций, приводящих к изменению числа молекул газов: увеличение числа газовых молекул приводит к возрастанию энтропии, уменьшение – к её понижению. [4]

Изменение энтропии при различных процессах. Энтропия это функция, дифференциал которой равен . Из определительного соотношения:

(5)

,

где - приращение теплоты, следует, что для любого обратимого процесса, протекающего при постоянной температуре, изменение энтропии системы:

(6)

.

Для процессов, протекающих при постоянных давлении и температуре, имеем:

(7)

.

Для термодинамического вещества, нагретого и охлажденного при постоянном давлении,

,

где СР - теплоемкость вещества при постоянном давлении; и, следовательно,

(8)

Точно также при нагреве и охлаждении вещества при постоянном объеме имеем: [2]

(9)


Если система изолирована от окружающей среды, то и, следовательно, . Протекание любого самопроизвольного процесса характеризуется неравенством:

(10)

.

Следовательно, в замкнутой системе такие процессы сопровождаются увеличением энтропии. При равновесии энтропия замкнутой системы остается постоянной. [1]


1.1.3 Энергия Гиббса.

Термодинамические характеристики реакций включают значения тепловых эффектов и величины - стандартного изменения свободной энергии для соответствующих реакций. [5]

Изменение энергии Гиббса системы является основной термодинамической характеристикой химической реакции. Для определенности исходные вещества и продукты реакции принимают обычно находящимися в их стандартных состояниях. Соответствующую величину и называют стандартной энергией Гиббса химической реакции . [6]

З

(11)

ависимость от различных реакций от температуры с достаточной точностью выражается формулой:

К

(12)

оэффициенты М и N для различных реакций приведены в справочной литературе. Эти коэффициенты определяются на основе обобщения экспериментальных данных по равновесиям различных реакций. Величины M и N близки к средним значениям тепловых эффектов () и изменения энтропии () для соответствующих реакций: [5]

.

(13)

В некоторых справочных изданиях приведены не энергии Гиббса веществ GT , а приведенные энергии Гиббса ФТ , которые связаны с GT соотношением: .


Д

(14)

ля энергии Гиббса реакции aA+bB=cC+dD , как и для некоторых других величин, применимо выражение:


Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса при необратимых процессах может только убывать. Отсюда следует, что является критерием направления и полноты протекания реакции между веществами, взятыми в стандартном состоянии. Реакция может протекать только в том направлении, которое характеризуется отрицательным значением , т.е. реакция всегда идет в направлении снижения энергии Гиббса системы. Если , то это указывает на равновесие между реагентами в их стандартных состояниях (реакция не идет). Полнота протекания реакции характеризуется константой равновесия К, связанной с уравнением изотермы: .

Поскольку R=8,3192 Дж/(моль*К): .

При переходе к десятичным логарифмам получаем: .

Пользуясь этим уравнением, можно по известному значению определить константу равновесия реакции, и найти необходимые для практики равновесные концентрации и другие характеристики. Например, для реакции получения TiC (), исходя из последнего уравнения и температурной зависимости , можно получить следующее выражение для константы равновесия:

(15)

1.1.4 Экстенсивные, интенсивные свойства; парциальные величины.

Э

(16)

кстенсивными называют свойства, которые зависят от количества вещества : V, H, S, G и т.д. Для определения экстенсивного свойства g раствора необходимо просуммировать интенсивные (парциальные мольные) характеристики компонентов , умноженные на соответствующие числа молей ni. Например, для энтальпии раствора имеем , или для 1 моля раствора: .

Интенсивные свойства раствора – свойства, не зависящие от количества вещества, такие, например, как температура, давление. К числу интенсивных принадлежат и парциальные мольные характеристики . Интенсивные свойства представляют собой частные производные от соответствующих экстенсивных свойств раствора по числу молей данного компонента при постоянных температуре, давлении и числах молей других компонентов:

(17)

.

Таким образом, представляет собой приращение свойства бесконечно большого количества раствора при добавлении 1 моля i-того компонента. Например, парциальный мольный объём компонента в растворе заданного состава показывает, на какую величину изменится объём этого раствора (взятого в бесконечно большом количестве) при добавлении 1 моля данного компонента. [6]


1.2 Растворы

Раствором называется однородная смесь, состоящая из двух или большего числа веществ, состав которой в известных пределах может непрерывно изменяться.

Однородными являются и химические соединения, однако их состав не может изменяться непрерывно, так как они подчиняются законам постоянства состава и кратных отношений.

1.2.1 Идеальные растворы

Цель термодинамической теории расплавов состоит в том, чтобы связать различные свойства растворов и найти способы предсказания свойств растворов, исходя из свойств чистых компонентов. Ввиду очень сложного характера взаимодействия компонентов в растворах решение этой задачи в общем виде невозможно. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть идеализированные случаи, в которых можно отделить главные черты явления от второстепенных. [1]

Раствор называется идеальным, если :

а) теплота смешения равна нулю ,

б) изменение объема при смешении чистых компонентов равно нулю

,

в) парциальное давление пара каждого компонента пропорционально его молярной доле. Это означает, при всех концентрациях соблюдается закон Рауля при условии, что пары следуют законам идеальных газов и, следовательно, парциальные давления равны летучим. [7]

Идеальным называется раствор, в котором соблюдается закон Рауля при температурах и давлениях, при которых возможно его существование. Закон Рауля гласит, что для ограниченного числа растворов парциальное давление каждого компонента pi равно произведению молярной доли компонента xi на упругость пара в его чистом виде (давление пара чистого компонента): [2]

(18)

Теплота образования идеального раствора. Поскольку, суммарная энергия взаимодействия частиц при образовании идеального раствора из чистых компонентов не изменяется (такие растворы называют совершенными), парциальные объемы компонентов и их парциальные энтальпии будут равны соответствующим мольным характеристикам: . [6] Таким образом, теплота испарения компонента в идеальном растворе равна теплоте испарения его в чистом виде. [2] В этом случае энтальпия раствора аддитивно складываются из мольных величин:

(19)

где Нидеальн - энтальпия 1 моля идеального раствора;

- энтальпия всех компонентов раствора до смешения.

Из этого следует, что энтальпия, или теплота смешения для идеального раствора , равна нулю, т.е. [2]

(20)

.

Изменение объема при образовании идеального раствора. Можно показать таким же образом, как это было сделано выше, что изменение объема при образовании идеального раствора по отношению к аддитивному равно нулю.

Как было сказано ранее, , т.е. парциальный объем компонента идеального раствора равен молярному объему чистого компонента. Подставляя значение для каждого компонента в уравнение аддитивного сложения характеристик раствора, получим:

(21)

где Vидеальн - объем 1 моля идеального раствора;

- объем всех компонентов раствора до смешения.


1.2.1.1 Совершенные растворы.

Как уже говорилось, идеальный совершенный раствор представляет такую модель, в которой закон Рауля выполняется с абсолютной точностью во всем интервале составов. Суммарная энергия взаимодействия частиц при образовании такого раствора из чистых компонентов не изменяется. [6] Такие растворы характеризуется благодаря близости свойств компонентов тем, что они образуются без теплового эффекта и без изменения объема. [1]

Фактором, который вызывает самопроизвольное образование совершенного раствора из чистых компонентов, является изменение энтропии. Оно обусловлено тем, что термодинамическая вероятность раствора (в котором каждая из молекул может находиться в любой части занимаемого им объема) выше, чем вероятность системы, где каждый из компонентов занимает только свой объем, составляющий лишь часть общего объема. Никакого дополнительного изменения энтропии, связанного с упорядочением хаотичного движением молекул, при образовании совершенного раствора не происходит. [6]

Таким образом, в отличие от величин H и V свободная энергия и энтропия при образовании совершенного раствора неаддитивны. Очевидно, энтропия раствора определяется уравнением: [1]

(22)

О

(23)

пределение энтропии образования совершенного раствора с использованием формул молекулярной статистики дает следующие выражения:

(24)

.

Отсюда следует:

(25)

(26)

(27)

где - химический потенциал компонента в стандартном состоянии (при xi=1). Из приведенных выражений (с учетом xiхарактеризуется симметричной кривой (см. рисунок 1) с максимумом в точке х12=0,5 , для которой =5,77 Дж/(моль*К).


Под активностью компонента в растворе понимают отношение давления насыщенного пара компонента над раствором к аналогичной величине для компонента в стандартном состоянии:

(28)

,

где ai – активность компонента i в растворе;

Pi – давление насыщенного пара компонента i над раствором;

- давление насыщенного пара компонента в стандартном состоянии.

В бинарном растворе 1-2 (рисунок 1) активность компонента 2 при его молярной доле х2:

(29)

,

где Р2 – давление насыщенного пара компонента 2 над раствором с концентрацией 2, равной х2;

- давление насыщенного пара компонента 2 над чистым веществом 2 при той же температуре.

Из закона Рауля при той же концентрации х2 (см. рисунок 1) имеем:

(30)

,

где - давление насыщенного пара компонента 2, полученное расчетом по закону Рауля для концентрации х2.

Для количественной оценки отклонения от закона Рауля вводится коэффициент активности , который устанавливает связь между активностью и концентрацией:

(31)

.

И

(32)

з рисунка 1 следует также, что

Для идеальных растворов и . В случае отрицательных отклонений от закона Рауля . При положительных отклонений от закона Рауля . [6]


1.2.1.2 Совершенные растворы

Применительно к растворам различных компонентов в металлах, мы обычно имеем дело с разбавленными растворами этих компонентов. Термин «разбавленный раствор» применяют к системам, в жидкой фазе которых содержание одного элемента значительно превышает содержание других компонентов. В количественном отношении этот термин является довольно неопределенным, так как нельзя указать какие-то концентрационные границы, в пределах которых раствор следует считать разбавленным. В каждом отдельном случае представление о степени разбавленности раствора связано с тем, какие свойства его и с какой точностью исследуют. [3]

В таких разбавленных растворах термодинамические характеристики растворенного вещества пропорциональны его концентрации, несмотря на значительные отклонения от закона Рауля. Такое поведение растворенного вещества в разбавленном растворе соответствует закону Генри. [5]

С

(33)

огласно закону Генри, при малых концентрациях растворенного вещества его парциальное давление (давление насыщенного пара над раствором) прямо пропорционально мольной доле этого компонента:

Рi=ki ci

(при условии, что вещество i - не растворитель),

где ki – коэффициент (константа) Генри, зависящий от химической природы компонентов, а также от выбранных единиц измерения концентрации.

Особенность модели разбавленного раствора заключается в том, что она (в отличие от модели совершенного раствора) не определяет величину энергии взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Для упрощения (необходимого в любой модели) не учитывается взаимодействие молекул растворенного вещества друг с другом (в связи с их малой концентрацией), они реагируют лишь с молекулами растворителя. Таким образом, добавление растворенного вещества в разбавленный раствор вызывает такое же изменение внутренней энергии и энтальпии системы, как добавление его в чистый растворитель (при условии, что раствор и после добавления останется разбавленным), т.е. парциальная мольная энтальпия растворенного вещества в разбавленном растворе не зависит от концентрации:

(34)

.

Знак означает, что величина относится к начальной области концентраций и имеет такое же значение, как в бесконечно разбавленном растворе. [6]

Гипотетическое стандартное состояние вещества (Генриево гипотетическое состояние) получают путем экстраполяции закона Генри от крайне низких концентраций до значения . Это состояние (точка h на рисунке 2) представляет собой чистое вещество 2 в гипотетическом, нереальном состоянии, в котором оно существовало как чистый компонент, если бы подчинялось закону Генри во всем интервале концентраций, вплоть до чистого вещества. Иными словами, если бы вещество в чистом виде характеризовалось теми же свойствами, что и в бесконечно разбавленном растворе. [5]

И

(35)

зменение энтропии при образовании разбавленного раствора представляет собой сумму двух величин. Первая величина связана с изменением состояния молекул и, следовательно, в области разбавленных растворов не зависит от состава. Вторая величина, как и в случае совершенных растворов, обусловлена увеличением объема, предоставленного молекулам растворенного вещества при переходе их из индивидуального компонента в раствор. Эта величина пропорциональна логарифму объема раствора, приходящегося на единицу количества компонента 2, т.е. обратно пропорциональна логарифму концентрации с2, выраженной в любых единицах. Таким образом:

где А - постоянная величина, не зависящая от состава раствора, но зависящая от выбора единиц измерения с2. [6]

О

(36)

(37)

тсюда:

Активность компонента 2 при его концентрации х2 по отношению к гипотетическому стандартному состоянию (см. рисунок 2):

(38)

Такое же выражение получается из закона Генри путем замены концентрации на активность:

.

Отклонение от закона Генри характеризуется коэффициентом активности f2. Такое обозначение для коэффициента активности веществ в разбавленных растворах введено для того, чтобы отличить этот коэффициент активности, показывающий отклонения от закона Генри от коэффициента активности , показывающего отклонения от закона Рауля.

Коэффициент активности f2 связывает концентрацию компонента х2 с его активностью в разбавленном растворе по отношению к гипотетическому стандартному состоянию в виде следующего выражения:

(39)

.

Из закона Генри следует, что :

(40)

.

Поэтому коэффициент активности можно определить по соотношению (см. рисунок 2):

(41)

.

В области разбавленных растворов разница между Р2 и обычно мала, поэтому для области низких концентраций растворенного вещества и .

П

(42)

оскольку в разбавленном растворе молярная доля растворенного компонента пропорциональна его массовому проценту, очень удобным для практических расчетов является использование 1% стандартного состояния, поскольку это устраняет необходимость перевода процентов по массе, которыми обычно выражают состав раствора, в молярные доли. В разбавленных растворах активность растворенного компонента по отношению к этому стандартному состоянию становится равной концентрации, выраженной в процентах по массе. Активность растворенного компонента по отношению к 1%-му стандартному состоянию:

где f2 – коэффициент активности для этого стандартного состояния.

[%2] – концентрация компонента 2 в растворе. [5]


1.2.2 Реальные растворы


Как отмечалось, совершенные растворы характеризуются следующими свойствами: образование раствора не сопровождается тепловым эффектом (), а изменение энтропии определяется уравнением:

(43)

.

Р
еальные растворы, вообще говоря, не обладают этими свойствами и для них не соблюдается законы Рауля и Генри. На рисунке 3 представлены зависимости давления пара от состава для двух реальных растворов.

Прямые штриховые линии соответствуют давлению пара, которое наблюдалось, если бы растворы были совершенными. На рисунке 3-а показаны положительные отклонения, при которых давление пара выше, чем для совершенного раствора такой же концентрации, а на рисунке 3-б – отрицательные отклонения, где давление пара меньше, чем для совершенного раствора.

Наличие положительных отклонений показывает, что образование раствора затруднено (из-за стремления каждого типа атомов группироваться с одноименными атомами) по сравнению с совершенным. При больших отклонениях жидкости расслаиваются. Отрицательные отклонения указывают на более сильную тенденцию к образованию раствора (тенденцией атомов одного типа образовывать группы с атомами других типов), чем в случае совершенного раствора. Это означает, что есть дополнительные причины для образования раствора. [1]

Иногда в одной и той же системе встречаются и положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля. В качестве характерного примера можно привести бинарную систему цинк – сурьма, представленную на рисунке 4. Активность цинка меньше его атомной доли при малых концентрациях и больше при высоких содержаниях. Коэффициент активности вначале меньше единицы, непрерывно возрастает и становится больше единицы, а затем вблизи чистого цинка вновь понижается до единицы. Наличие обоих видов отклонений – положительного и отрицательного не требует объяснений с точки зрения термодинамики, просто тенденция атомов обособляться в группы должна сильно изменяться с изменением состава раствора. [2]

Так как изменение свободной энергии (энергии Гиббса) выражается уравнением (26), то отклонения в поведении реальных растворов от совершенных могут определяться как тем, что , так и тем, что изменение энтропии при смешении не подчиняется уравнению (43). [1]

Д

(44)

ля характеристики отклонения реальных систем от идеальных целесообразно ввести понятие об избыточных термодинамических функциях смешения. Так, для энергии Гиббса можно записать:

(45)

Для двухкомпонентной системы:

(46)

(47)

(48)

(49)

Энтропия:

(50)

(51)

Для двухкомпонентной системы:

(52)

(53)

(54)

Поскольку и , применение термина «избыточные функции» для энтальпии и объёма не имеют смысла.

Для избыточных функций справедливы все общие соотношения между интегральными и парциальными величинами.

Величина для равновесных систем всегда отрицательна. Это вытекает из общего положения, что при постоянных давлении и температуре все самопроизвольно протекающие сопровождаются убылью энергии Гиббса. Тогда: .

Каких-либо ограничений для знаков и нет. Если , то и ; если , то ; если , то или .

В последнем случае по абсолютной величине должно превышать произведение . Аналогичные соотношения распространяются и на парциальные мольные энтальпию и энтропию. [3]


1.2.2.1 Регулярные растворы

Р

(55)

егулярными называются растворы, образование которых сопровождается тепловым эффектом, а величина такая же, как для совершенных. [1] Таким образом, отклонение регулярного раствора от совершенного, т.е. появление избыточной энергии Гиббса обусловлено только энтальпийным членом:

И

(56)

з этого выражения можно вывести важное для практических расчетов соотношение:

,

которое позволяет оценить температурную зависимость коэффициента активности, если известно хотя бы одно его значение. Принимая, что не зависит от температуры, данное выражение можно записать, например:

(57)

.

Предполагается, что энтропийная составляющая энергии Гиббса в регулярном растворе такая же, как в совершенном, и может быть рассчитана исходя из допущения о полной хаотичности в расположении атомов. Таким образом, энергия Гиббса в регулярном растворе определяется следующими выражениями:

(58)

(59)

.

Допущение о хаотичности расположения атомов при определенном взаимодействии между ними является главным противоречием модели регулярного раствора, ограничивающим область её применения. Очевидно, что наилучшие результаты модель регулярных растворов может дать для систем с относительно слабым взаимодействием. В таких системах величина , характеризующая тенденцию к упорядочению (к определенной группировке атомов), должна быть не больше (или не на много больше), чем энергия теплового движения атомов RT, определяющая тенденцию к разупорядочению. С повышением температуры область возможного применения теории регулярных растворов увеличивается.

Р

(60)

яд полезных соотношений теории регулярных растворов может быть получен из статистического анализа модели, предполагающей хаотическое расположение атомов по узлам некоторой решетки, существование которой допускается как в твердом теле, так и в жидкости. Одним из результатов такого анализа является следующее выражение для избыточной энергии Гиббса образования одного моля регулярного раствора из чистых компонентов 1 и 2:

,

где z – число ближайших соседей атома;

NA – число Авогадро;

- энергия образования двух связей между разноименными атомами:

(61)

Р

(62)

1-2 – число связей 1-2; при хаотическом расположении атомов:

Р1-2=z NA x1x2 .

Р

(63)

ассмотрим концентрационную зависимость величины , следующую из данного уравнения. Величину , не зависящую от состава, обозначим (энергия смешения). Подставляя, получим:

,

что соответствует параболе с экстремумом в точке х12=0,5. Экспериментальное значение в этой точке равно . Для определения парциальных энтальпий компонентов и необходимо продифференцировать данное уравнение, переписав его для раствора, содержащего n1+ n2 молей компонентов, следующим образом:

(64)

.

Отсюда получим:

(65)

(66)

,.

Как видно из уравнений, энергия смешения равна предельному значению (при ). Учитывая связь между теплотой растворения и коэффициентом активности, можно получить следующее выражение для зависимости коэффициентов активности от концентрации:

(67)

;

(68)

.

Из данных уравнений следует, что при коэффициент стремится к , а . Таким образом, в теории регулярных растворов возможно только приближенное выполнение законов Генри () и Рауля() в области малых значений х2 отличных от нуля.

Таким образом, энергия Гиббса (для бинарного раствора):

(68)

;

(68)

;

(68)

.

Как видно, все основные термодинамические характеристики регулярного раствора, включая температурную и концентрационную зависимость активности, могут быть рассчитаны, если известен один параметр – энергия смешения . Величину , принимаемую в простейшем случае не зависящей от температуры и концентрации, можно рассчитать по данным одного эксперимента. Такой расчет может быть выполнен при помощи уравнений (65), (66) по известной величине или по уравнениям (67), (68) если известно одно значение коэффициента активности (при заданных концентрации и температуре). Отметим для сравнения, что в теории идеальных разбавленных растворов для вычисления как функции температуры требуется не менее двух значений при разных Т (см. уравнение (36)).

Таким образом, теория регулярных растворов предоставляет довольно широкие возможности для расчета термодинамических характеристик. Однако довольно ограничен круг расплавов, которые могут быть описаны этой теорией с удовлетворительной степенью точности и в широком диапазоне температур и концентраций. Проведенный анализ имеющихся экспериментальных данных о 175 бинарных металлических системах показал, что только восемь из них можно удовлетворительно описать теорией регулярных растворов в простейшем её варианте. На практике эти уравнения часто используют в качестве интерполяционных формул в ограниченном интервале температур или концентраций. При этом величину подбирают таким образом (например, при помощи метода наименьших квадратов), чтобы уравнения соответствовали всей данной совокупности экспериментальных значений. Далекая экстраполяция найденных таким способом зависимостей в область неисследованных температур и концентраций, как правило, недопустима. Тем не менее, во многих случаях теория регулярных растворов может быть использована для обработки экспериментальных данных и практических расчетов. Наилучшие результаты эта теория дает при высоких температурах и в применении к системам с относительно слабым взаимодействием (с малым различием свойств компонентов). [6]


1.2.2.2 Субрегулярные растворы

Одно из наиболее часто встречающихся противоречий заключатся в том, что реальные системы характеризуются обычно несимметричными зависимостями термодинамических характеристик от состава, а теория регулярных растворов предсказывает их симметрию. Чтобы устранить это расхождение теории с экспериментом был предложен один из усложненных вариантов модели, которых получил название субрегулярного раствора. Отличие этого раствора от регулярного заключается в том, что его энергия смешения не является константой, а изменяется в зависимости от состава и принимает значения от в чистом компоненте 1 до в компоненте 2. Это можно записать в виде уравнения:

(69)

.

Так как , получим:

(70)

.

Для определения парциальных теплот растворения воспользуемся формулой:

(71)

.

В результате получим:

(72)

;

(73)

.

Остальные формулы теории субрегулярных бинарных растворов следуют из соответствующих формул для регулярных систем:

(74)

;

(75)

;

(76)

.

Как видно из полученных уравнений, усложнение модели привело к тому, что в расчетные формулы входит теперь не один параметр (как в теории регулярных растворов), а два: и . Таким образом, повышение точности расчетов достигается в этом случае в результате увеличения количества исходной информации об объекте. Во многих случаях это не только приемлемо, но и необходимо для лучшего согласования расчетных данных с практическими. Чтобы найти необходимые для расчетов два параметра и в случае, когда неизвестны значения и , можно воспользоваться любыми двумя известными характеристиками: , , , или . Усложнение расчета сводится при этом к необходимости решения системы двух линейных уравнений типа рассмотренных выше. [6]


1.2.2.3 Квазирегулярные растворы

В случае квазирегулярного раствора поправка вводится как избыточная энтропия, связанная с теплотой образования раствора простым соотношением:

(77)

, .

Из этого следуют важные расчетные формулы:

(78)

;

(79)

.

Из данного выражения можно вывести формулу для расчета температурной зависимости коэффициента активности по его значению при одной температуре. При обычном допущении имеем:

(80)

.

Сопоставляя это выражение с выражением для регулярных растворов, видно, что при очень больших значениях (по сравнению с Т и 1873 К) формулы теории квазирегулярного раствора и регулярного раствора эквивалентны.

Как и для субрегулярных растворов, в формулы (78), (79) входят два параметра, в данном случае и , для определения которых необходимо не менее двух экспериментально полученных значений , или . Чтобы определить параметры, как и в предыдущем случае, необходимо решить систему двух линейных уравнений типа (78), (79). Указанное минимально необходимое количество исходных данных достаточно для выполнения расчета, но, как правило, не обеспечивает высокой точности получаемых результатов. В связи с этим для определения параметров используют обычно максимальное количество экспериментальных данных. Вычисления при этом выполняют методом наименьших квадратов.

Важным моментом в теории квазирегулярных растворов является то, обстоятельство, что параметр в первом приближении можно считать независящим от индивидуальных свойств компонентов раствора. Его можно заранее определить для широкого круга систем по имеющимся данным о теплотах и энтропиях образования некоторых из них. Формально представляет собой температуру, при нагреве до которой раствор приобретает свойства идеального. Это следует из того, что при формулы теории квазирегулярных растворов (78), (79) переходят в выражения для совершенного раствора. Расчеты показали, например, что корреляция между и в 90 растворах (жидких и твердых) на основе целого ряда растворителей при температуре от 293 до 1426 К удовлетворительно характеризуется одним значением параметра , равным 3000 К. Далекая экстраполяция зависимостей, полученных на основе модельных представлений, обычно не дает хороших результатов, поэтому не рекомендуется. [6]


36


2 Концентрационные уравнения для бинарных растворов с полной взаимной растворимостью

До недавнего времени в качестве математических моделей при исследовании термодинамических характеристик растворов применялись только интерполяционные уравнения:

«…пока не удается вывести в общем виде теоретически обоснованную формулу концентрационной зависимости термодинамических функций для реальных систем. В связи с этим при обработке экспериментальных данных применяются различные интерполяционные формулы [8] ».

Как известно, таким методом невозможно описать всего многообразия реально существующих металлических расплавов. Поэтому, в работе [9] впервые были выведены аналитические уравнения, связывающие термодинамические функции бинарного расплава с концентрацией его компонентов. Далее приведено краткое описание вывода.


2.1 Вывод концентрационных уравнений.

При образовании раствора относительная парциальная молярная энергия Гиббса одного из компонентов описывается уравнением:


(81)

;


из данного уравнения активность компонента можно выразить следующим образом:

(82)

.

Поскольку , то коэффициент активности:

(83)

.

Задача заключается в том, чтобы величины , , а следовательно и представить как соответствующие концентрационные функции в компактной форме без каких–либо ограничений.

Рассмотрим парциальные молярные энтальпии компонентов бинарного раствора и , которые связаны между собой соотношением Гиббса – Дюгема:

(84)

;

которое можно записать в следующей форме:

(84’)

.

В результате определенных преобразований, аналитически получены концентрационные уравнения для парциальной молярной энтальпии компонентов в бинарном растворе с неограниченной растворимостью:

(85)

,

(86)

.

В этих уравнениях - парциальная молярная энтальпия при образовании бесконечно разбавленного раствора:

(87)

.

Однако, в уравнениях (85) и (86) функции и выражены через «чужие» коэффициенты; т.е. парциальная молярная энтальпия первого компонента выражена через термодинамические характеристики второго и наоборот. Чтобы получить функции и через «свои» коэффициенты, обратимся к уравнению (84’). Подставляя в него выражение для из уравнения (86) и производя интегрирование, получим:

(88)

.

Аналогичное выражение запишем и для :

(89)

.

Теперь парциальная молярная энтальпия выражена как концентрационная зависимость через величины, характеризующие природу соответствующего компонента. С учетом соотношения (87) уравнения (85) и (86) будут иметь вид:

(90)

;

(91)

.

Из этих уравнений следует равенство:

(92)

,

связывающее между собой коэффициенты и . И вообще, уравнения (90)–(92) позволяют находить соответствующие постоянные величины для одного компонента, если они известны для другого.

Все приведенные выше рассуждения справедливы и для другой термодинамической функции . Поэтому, сразу запишем для нее конечное выражение:

(93)

.

Зная концентрационные выражения для и , можно написать соответствующее уравнение для парциальной молярной свободной энергии Гиббса:

(94)

.

Для активности компонента в растворе данное уравнение перепишется так:

(95)

,

г

(96)

де ; .

Выражение (95) позволяет описать экспериментальные данные зависимости активности компонента от состава бинарного раствора. Перепишем его следующим образом:

(97)

Разделив левую и правую части данного уравнения на и имея в виду, что (о функции скажем далее), запишем выражение:

(98)

.

Из уравнения (98) видно, что при :

(99)

,

а

(100)

при : .

2.2 Функция .

Функция впервые была введена Л.С. Даркеном и Р.В. Гурри [2] для упрощения интегрирования уравнения Гиббса-Дюгема при определении активности одного компонента бинарной системы из известной активности другого компонента. Они же показали, что функция i для металлических расплавов имеет прямолинейный характер. В работах других исследователей также утверждается, что при нанесении на график величин в функции (1 - xi) экспериментальные точки должны ложиться на прямую.

На рисунке 5 представлены результаты вычисления функции для различных систем в зависимости от концентрации компонента в расплаве. Для каждой системы имеем две линии – это и . Цифрами обозначены точки пересечения этих линий в расплавах:

1-(Fe – Si); 2-(Fe – Al); 3-(Fe – V); 4-(Fe – Co); 5-(Fe – Mn); 6-(Fe – Cr) и 8-(Fe – Sn). Для каждой точки пересечения линий характерно своё значение . Значения в точках пересечения обозначены через . Из рисунка 5 видно, что чем дальше система от идеальности, тем больше угол между рассматриваемыми прямыми. Пересекаются линии всех систем примерно при одной и той же концентрации компонентов в расплаве, очень близкой к значению xi=0,25 (среднее значение xi для рассматриваемых систем равно 0,251). Угол между прямыми можно характеризовать величиной , т.е. абсолютным значением разности функций при xi=1 для конкретного компонента любой системы. Это позволяет предположить, что между величиной и функцией должна существовать определенная связь. Она показана на рисунке 6. Из рисунка видно, что зависимость между и может быть описана в общем виде уравнением параболы второй степени, а именно:

.


Для положительных и отрицательных значений уравнения параболы отличаются, их примерный вид приведен на этом же рисунке. Это объясняется тем, что растворы с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля по своей природе различаются: для систем с отрицательным отклонением никаких ограничений нет, в то время как для систем с положительным отклонением ограничения существуют. Уравнения на рисунке 6 могут быть уточнены при нанесении на него дополнительных данных.

Итак, в данной главе мы привели концентрационные уравнения, связывающие термодинамические характеристики с составом бинарного раствора с неограниченной растворимостью компонентов. В этих уравнениях коэффициенты и , наряду с другими величинами (, , T, xi ), определяют степень отклонения реального раствора от идеального.

Задача исследователя заключается в том, чтобы по имеющимся экспериментальным данным определить неизвестные величины , , и (при известной температуре и концентрации компонентов), входящие в уравнение (98). При любой методике вычисления этих величин в первую очередь определяются численные значения и , а также их знаки, и лишь затем находятся и . Поэтому следующая глава нашей работы посвящена вопросам определения коэффициентов и .


44


3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ И


К

(101)

ак было сказано выше, коэффициенты и определяют степень отклонения раствора от идеальности. По условиям вывода диапазон значений этих коэффициентов одинаков и равен:

В бинарных растворах коэффициенты и , равно как и коэффициенты и , связаны между собой соотношениями:

(102)

,

(103)

.

Коэффициенты и противоположны по знаку. Противоположные знаки также имеют и . Определить численное значение коэффициентов и можно двумя методами: математическим и графическим.


3.1 Математический метод.


При чисто математическом подходе, основываясь на экспериментальных данных, получим систему четырех уравнений типа (98), решение которой (например, методом наименьших квадратов) позволяет найти значения всех неизвестных величин: , , и . В процессе решения возникает ситуация, когда надо определить, какой из корней квадратного уравнения коэффициент , а какой –, т.е. нужно знать знаки коэффициентов. Способ определения знака мы рассмотрим ниже, в этой главе.

Стоит сразу отметить весьма низкую точность результатов, рассчитанных математическим методом. Причины этого:

1 – абсолютные значения величин Ai и Bi отличаются на порядок, а иногда и на два, от абсолютных значений и , что является причиной погрешности при решении.

2 – недостаточная точность экспериментальных данных; этот пункт рассмотрим подробнее.

Часто в термодинамических исследованиях экспериментально пользуясь различными методиками определяют связь активности одного из компонентов с его концентрацией в растворе. При этом график функции имеет следующие особенности. Кривая активности в точках и как бы жестко закреплена; при этом значения ai равны нулю и единице соответственно. Однако, в интервале 0Рост. , то можно записать:

(124)

здесь - коэффициент испарения, учитывающий прежде всего состояние поверхности;

М – молекулярный вес испаряющегося металла.

Уравнение (124) известно как классическая формула Кнудсена и выведено на основании молекулярно – кинетической теории при следующих допущениях:

отсутствуют столкновения молекул между собой как в объеме эффузионной камеры, так и в области эффузионного отверстия;

длина свободного пробега частицы велика по сравнению с размерами эффузионного отверстия;

все атомы, попавшие в эффузионное отверстие, проходят через него, не изменяя направления движения, так как края отверстия бесконечно тонки.

Первые два условия обычно выполняются, если давление пара не превышает 1,3 – 13,3 Па, а радиус отверстия не более 1 мм.

По исходным данным построим графики функций и (рисунки 32 и 33). На этих же рисунках проведены прямые линии, полученные путем обработки первичных литературных данных в соответствии с уравнением прямой.

5.3.2 Корректировка исходных данных.


Приведем вычисление коэффициентов в уравнении прямой для вольфрама (таблица 18).

Таблица 18 – Необходимые параметры для вычисления коэффициентов в уравнении прямой для функции .

Численные значения

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 4,5

0,01 0,04 0,09 0,16 0,25 0,36 0,49 0,64 0,81 2,85

-0,8557 -0,9341

-1,1592

-1,5372 -1,9121 -2,6924 -3,7386 -5,9723 -3,0459 -21,8475

-0,0856 -0,1868 -0,3478 -0,6149 -0,956 -1,6154 -2,617 -4,7778 -2,7413 -13,9426



Вычисления:


.

Таким образом, для функции получено выражение:

(125)

Уравнение для , полученное аналогичным образом имеет вид:

(126)

Исходные данные, скорректированные в соответствии с уравнением (125) приведены в таблице 19.

Таблица 19 – Скорректированные исходные данные для вольфрама.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

-0,4183 -0,9256 -1,422 -1,939 -2,446 -2,953 -3,46 -3,997 -4,473

0,0712 0,1106 0,1487 0,199 0,2713 0,374 0,5127 0,6826 0,8606

По данным таблицы 19 построим рисунок 34, на котором изображена функция: . Из этого рисунка получаем: ; ; . Коэффициент отклонения площади от идеальности равен:

.

Графическим методом определены:

и .




Из уравнения: ,

определены: и .

Далее, по уравнению (98) вычислим другие термодинамические характеристики для компонентов расплава W – Pd.


5.1.3 Вычисление значений Аi, Bi, и .


Термодинамические характеристики вольфрама в расплаве W – Pd.


Термодинамические характеристики палладия в расплаве W – Pd.



По приведенным термодинамическим характеристикам вычислим значения основных термодинамических характеристик компонентов в расплаве W – Pd при различных их концентрациях (таблицы 20 и 21).

По данным этих таблиц построены графики (рисунки 35 и 36).


Вывод: Показана применимость концентрационных уравнений для термодинамического описания бинарных металлических расплавов со знакопеременным отклонением от идеальности.


Функция

Концентрация вольфрама в расплаве - xW

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,1286

-0,399

-0,918

-1,429

-1,934

-2,433

-2,927

-3,417

3,904

-4,389

-4,872

0,1286

-0,323

-0,587

-0,700

-0,696

-0,608

-0,468

-0,308

-0,156

-0,044

0,00

1,137

0,724

0,556

0,496

0,498

0,544

0,626

0,735

0,855

0,957

1,00

0,00

0,0724

0,1112

0,1489

0,1994

0,2722

0,3756

0,5147

0,6843

0,8614

1,00

-253,26

-207,76

-166,28

-128,97

-96,01

-67,57

-43,84

-25,00

-11,27

-2,86

0,00

-129,4

-102,6

-79,4

-59,5

-42,86

-29,20

-18,30

-10,10

-4,40

-1,10

0,00



Таблица 20 – Вычисленные термодинамические характеристики вольфрама в расплаве W – Pd при Т=1873 К.


Функция

Концентрация палладия в расплаве - xPd

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-1,823

-1,402

-0,977

-0,548

-0,115

0,325

0,770

1,223

1,684

2,153

2,633

-1,823

-1,135

-0,625

-0,269

-0,041

0,081

0,123

0,110

0,067

0,022

0,00

0,167

0,321

0,535

0,764

0,960

1,085

1,131

0,112

1,070

1,022

1,00

0,00

0,0321

0,107

0,2293

0,3838

0,5423

0,6787

0,7814

0,8557

0,9196

1,00

-229,61

-183,40

-142,92

-107,94

-78,20

-53,60

-33,87

-18,81

-8,25

-2,04

0,00

-101,2

-83,5

-67,2

-52,5

-39,3

-27,8

-18,2

-10,4

-4,7

-1,2

0,0



Таблица 21 – Вычисленные термодинамические характеристики палладия в расплаве W – Pd при Т=1873 К.



114


6 СИСТЕМЫ С РАЗЛИЧНЫМ ОТКЛОНЕНИЕМ ОТ ИДЕАЛЬНОСТИ

6.1 Системы с положительным отклонением от идеальности.


6.1.1 Система Fe – Mn.


Исходные данные. Исходные данные, взятые из разных источников, представлены в таблице 22.

Таблица 22 – Исходные данные для марганца.

Функция

xMn

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

aMn [21]

0,124 0,242 0,364 0,46 0,54 0,634 0,708 0,81 0,905

aMn [25]

0,137 0,257 0,363 0,46 0,552 0,638 0,725 0,813 0,904

aMn [26]

0,122 0,239 0,351 0,455 0,552 0,644 0,731 0,817 0,905

aMn средн.

0,128 0,246 0,359 0,460 0,548 0,639 0,721 0,813 0,905

0,01 0,04 0,09 0,16 0,25 0,36 0,49 0,64 0,81

0,305 0,323 0,366 0,388 0,367 0,394 0,328 0,403 0,554

0,030 0,065 0,11 0,155 0,183 0,236 0,230 0,322 0,499



По этим данным построим график зависимости функции от концентрации марганца в расплаве (рисунок 37).


Корректировка данных.

Уравнение прямой для функции будет выглядеть так:

(127)

Таблица 23 – Скорректированные исходные данные для марганца.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,2842 0,304 0,323 0,342 0,362 0,381 0,400 0,420 0,439 0,458 0,478

0,00 0,128 0,246 0,355 0,456 0,550 0,640 0,727 0,814 0,904 1,00

Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики марганца в расплаве Fe – Mn :





Характеристики железа:


Функция

Концентрация марганца в расплаве - xMn

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
р а с ч е т

0,2842

0,304

0,324

0,343

0,363

0,382

0,401

0,421

0,440

0,459

0,478

0,2842

0,246

0,207

0,168

0,131

0,095

0,064

0,038

0,018

0,005

0,00

1,329

1,279

1,23

1,183

1,139

1,10

1,066

1,039

1,018

1,005

1,00

0,00

0,128

0,246

0,355

0,456

0,55

0,64

0,727

0,814

0,904

1,00

опыт

- - - -

0,305

0,323

0,366

0,388

0,367

0,394

0,328

0,403

0,554

- - - -

0,00

0,128

0,246

0,359

0,460

0,548

0,639

0,721

0,813

0,905

1,00



Таблица 24 – Вычисленные термодинамические характеристики марганца в расплаве Fe – Mn при Т=1873 К.


Таблица 25 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Mn при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
р а с ч е т

0,3814

0,362

0,343

0,324

0,305

0,285

0,266

0,246

0,227

0,207

0,1877

0,3814

0,293

0,220

0,159

0,110

0,071

0,043

0,022

0,009

0,002

0,00

1,463

1,341

1,246

1,172

1,116

1,074

1,043

1,022

1,009

1,002

1,00

0,00

0,134

0,249

0,352

0,446

0,537

0,626

0,716

0,807

0,902

1,00

опыт



н е т





д а н н ы х






6.1.2 Система Fe – Sn.

Исходные данные. Исходные данные, взятые из разных источников, для обоих компонентов раствора Fe – Sn представлены в таблице 26.

xSn

олово железо

средние значения

aSn [27]

aSn [28]

aSn [29]

aFe [27]

aFe [28]

aFe [29]

aSn

aFe

0,1 0,415 0,350 0,540 0,91 0,920 0,910 0,435 0,913
0,2 0,70 0,680 0,750 0,825 0,860 0,830 0,710 0,838
0,3 0,89 0,870 0,870 0,780 0,790 0,755 0,877 0,782
0,4 0,91 0,920 0,920 0,755 0,760 0,760 0,917 0,758
0,5 0,925 0,930 0,930 0,760 0,760 0,760 0,928 0,760
0,6 0,915 0,930 0,930 0,760 0,750 0,760 0,925 0,757
0,7 0,93 0,940 0,940 0,750 0,745 0,750 0,937 0,748
0,8 0,97 0,955 0,960 0,710 0,710 0,720 0,962 0,713
0,9 0,98 0,970 0,975 0,675 0,620 0,675 0,975 0,657
Таблица 26 – Исходные данные по активности компонентов в растворе Fe – Sn.

По средним значениям активности компонентов вычислим их коэффициенты активности и функции . Таблица 27 – Обработанные исходные данные для системы Fe – Sn при Т=1873 К.
железо олово
xFe

aFe

xSn aSn
0,1 0,657 6,570 2,324 0,1 0,435 4,350 1,815
0,2 0,713 3,565 1,986 0,2 0,710 3,550 1,980
0,3 0,748 2,493 1,865 0,3 0,877 2,923 2,189
0,4 0,757 1,892 1,772 0,4 0,917 2,292 2,305
0,5 0,760 1,52 1,675 0,5 0,928 1,865 2,474
0,6 0,758 1,263 1,461 0,6 0,925 1,542 2,705
0,7 0,782 1,117 1,231 0,7 0,937 1,339 3,240
0,8 0,838 1,047 1,160 0,8 0,962 1,202 4,610
0,9 0,913 1,014 1,434 0,9 0,975 1,083 8,004
По данным таблицы 27 построим рисунки 40 и 41.
Из рисунка 41 видно, что прямопропорциональной зависимости более соответствует функция . Следовательно, за основу дальнейших расчетов примем характеристики железа.

Корректировка данных.

Уравнение прямой для функции будет выглядеть так:

(128)

Таблица 28 – Скорректированные исходные данные для железа.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

2,2937 2,166 2,039 1,911 1,784 1,656 1,529 1,402 1,274 1,147 1,019

0,0 0,578 0,737 0,765 0,760 0,757 0,766 0,794 0,842 0,910 1,00

Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Sn :




Характеристики олова:




Таблица 29 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Sn при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

2,2937

2,139

1,993

1,854

1,722

1,595

1,473

1,356

1,241

1,129

1,019

2,2937

1,732

1,275

0,908

0,620

0,399

0,236

0,122

0,05

0,011

0,00

9,912

5,654

3,579

2,480

1,859

1,490

1,266

1,13

1,051

1,011

1,00

0,0

0,565

0,716

0,744

0,743

0,745

0,760

0,791

0,841

0,910

1,00

42914

33377

25362

18702

13251

8886

5498

2993

1289

313

0,00

8,212

6,816

5,521

4,337

3,271

2,334

1,535

0,889

0,407

0,105

0,00



Функция

Концентрация олова в расплаве - xSn

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

1,6154

1,735

1,859

1,988

2,121

2,262

2,409

2,564

2,790

2,906

3,095

1,615

1,406

1,19

0,974

0,764

0,565

0,385

0,231

0,109

0,029

0,00

5,03

4,078

3,287

2,648

2,146

1,760

1,470

1,260

1,115

1,029

1,00

0,0

0,408

0,657

0,795

0,859

0,880

0,882

0,882

0,892

0,927

1,00

35901

30002

24482

19379

14737

10606

7044

4117

1905

496

0,00

9,393

7,387

5,671

4,223

3,019

2,042

1,274

0,699

0,303

0,074

0,00



Таблица 30 – Вычисленные термодинамические характеристики олова в расплаве Fe – Sn при Т=1873 К.



6.1.3 Система Fe – Cr.


Исходные данные. Исходные данные взяты из литературного источника [18].


Функция

Концентрация хрома в расплаве – .

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

5398 3989 3010 2436 2007 1529 1003 669 323

0,192 0,296 0,399 0,475 0,542 0,627 0,736 0,815 0,906

0,805 0,613 0,582 0,477 0,323 0,275 0,557 0,464 0,664
Таблица 31 – Исходные данные для системы Fe – Cr при 1873 К.


По этим данным построим график функции (см. рисунок 44).



Корректировка данных. В процессе корректировки данных точки, обведенные не графике кругами, мы в расчет не принимаем.

Уравнение прямой для функции :

(129)


Таблица 32 – Скорректированные исходные данные для хрома.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,875

0,771 0,668 0,564 0,461 0,357 0,253 0,150 0,046 -0,057 -0,161

0,00 0,187 0,307 0,396 0,472 0,547 0,625 0,710 0,801 0,899 1,00

Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики хрома в расплаве Fe – Cr :




Характеристики железа:





Функция

Концентрация хрома в расплаве - xCr

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,875

0,768

0,663

0,558

0,453

0,349

0,246

0,144

0,042

-0,06

-0,161

0,875

0,622

0,424

0,273

0,163

0,087

0,039

0,013

0,002

-0,006

0,00

2,399

1,864

1,529

1,314

1,177

1,091

1,040

1,013

1,002

0,999

1,00

0,00

0,186

0,306

0,394

0,471

0,546

0,624

0,709

0,801

0,899

1,00

125519

100899

79122

60124

43845

30224

19202

10723

4731

1174

0,00

68,889

56,049

44,484

34,211

25,248

17,613

11,324

6,399

2,857

0,718

0,00

Таблица 33 – Вычисленные термодинамические характеристики хрома в расплаве Fe – Cr при Т=1873 К.


Таблица 34 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Cr при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,351

0,454

0,557

0,661

0,766

0,871

0,977

1,083

1,191

1,299

1,407

0,351

0,368

0,357

0,324

0,276

0218

0,156

0,097

0,048

0,013

0,00

1,42

1,444

1,428

1,383

1,317

1,243

1,169

1,102

1,049

1,013

1,00

0,00

0,144

0,286

0,415

0,527

0,622

0,701

0,772

0,839

0,912

1,00

120949

98674

78530

60564

44824

31358

20219

11459

5131

1293

0,00

70,466

56,813

44,683

34,053

24,905

17,216

10,969

6,142

2,718

0,676

0,00




6.2 Системы с отрицательным отклонением от идеальности.

6.2.1 Система Fe – Al.

Исходные данные. Исходные данные [30] для алюминия получены методом ЭДС; данные для Fe вычислены графически.

Таблица 35 – Исходные данные по коэффициентам активности компонентов в растворе Fe – Al, при Т=1876 К.


Концентрация железа в расплаве – xFe

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,011 0,042 0,124 0,234 0,337 0,550 0,733 0,875 0,968

0,946 0,820 0,682 0,525 0,376 0,266 0,184 0,118 0,081
Таблица 36 – Обработанные исходные данные для системы Fe – Al.
железо алюминий
xFe

aFe

xAl aAl
0,1 0,011 0,0011 -5,568 0,1 0,081 0,0081 -3,103
0,2 0,042 0,0084 -4,953 0,2 0,118 0,0236 -3,339
0,3 0,124 0,0372 -4,260 0,3 0,184 0,0552 -3,455
0,4 0,234 0,0936 -4,035 0,4 0,266 0,1064 -3,678
0,5 0,337 0,168 -4,351 0,5 0,376 0,188 -3,913
0,6 0,550 0,330 -3,736 0,6 0,525 0,315 -4,027
0,7 0,733 0,513 -3,451 0,7 0,682 0,477 -4,253
0,8 0,875 0,70 -3,338 0,8 0,820 0,656 -4,961
0,9 0,968 0,871 -3,252 0,9 0,946 0,851 -5,551
По данным таблицы 36 построен рисунок 47, из которого видно, что дальнейшие расчеты следует вести по данным алюминия. Корректировка данных.

У

(130)

равнение прямой для функции будет выглядеть так:

Таблица 37 – Скорректированные исходные данные для алюминия.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-2,647 -2,924 -3,201 -3,478 -3,754 -4,031 -4,308 -4,585 -4,861 -5,138 -5,415

0,00 0,0094 0,0258 0,055 0,1035 0,183 0,301 0,463 0,659 0,855 1,00



Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики алюминия в расплаве Fe – Al :





Характеристики железа:


Функция

Концентрация алюминия в расплаве - xAl

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-2,647

-2,927

-3,203

-3,478

-3,751

-4,023

-4,297

-4,572

-4,849

-5,130

-5,425

-2,647

-2,371

-2,050

-1,704

-1,305

-1,006

-0,688

-0,411

-0,194

-0,051

0,00

0,071

0,093

0,129

0,182

0,259

0,366

0,503

0,663

0,824

0,950

1,00

0,00

0,009

0,026

0,055

0,104

0,183

0,302

0,464

0,659

0,855

1,00

-113287

-93492

-75289

-58773

-44042

-31209

-20389

-11713

-5319

-1359

0,00

-38,477

-30,206

-23,153

-17,212

-12,289

-8,30

-5,170

-2,832

-1,227

-0,299

0,00

Таблица 38 – Вычисленные термодинамические характеристики алюминия в расплаве Fe – Al при Т=1873 К.


Таблица 39 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Al при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-4,026

-3,749

-3,475

-3,201

-2,927

-2,652

-2,376

-2,096

-1,813

-1,524

-1,229

-4,026

-3,037

-2,224

-1,568

-1,054

-0,663

-0380

-0,189

-0,073

-0,015

0,00

0,018

0,048

0,108

0,208

0,349

0,515

0,684

0,828

0,930

0,985

1,00

0,00

0,005

0,022

0,063

0,139

0,258

0,410

0,580

0,744

0,886

1,00

-125269

-99284

-76793

-57581

-41449

-28214

-17706

-9770

-4261

-1046

0,00

-33,409

-27,758

22,512

-17,703

-13,370

-9,551

-6,293

-3,648

-1,672

-0,432

0,00




6.2.2 Система Fe – Co.

Исходные данные.

Таблица 40 – Литературные данные по [31] при 1873 К.

xCo

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

aCo

0,05 0,10 0,17 0,23 0,325 0,44 0,58 0,74 0,89

aFe

0,90 0,80 0,67 0,56 0,43 0,30 0,175 0,09 0,03


Концентрация компонента в расплаве – xi

функция 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Расч.

Литер.

Расч.

Литер.

Расч.

Литер.

Расч.

Литер.

Расч.

Литер.

0,82 0,96 0,89 0,97 0,96 0,98 0,98 0,99 1,0 1,0

0,74 1,01 0,9 1,02 0,95 1,03 0,98 1,04 1,0 1,0

0,890 0,930 0,950 0,985 1,00

0,875 0,960 0,990 1,010 1,00

0,178 0,372 0,570 0,788 1,00

0,175 0,384 0,594 0,808 1,00
Таблица 41 – Данные из литературного источника [11] при 1873 К.


Таблица 42 – Средние значения aCo и aFe по данным литературных источников [31] и [11].

активность

концентрация кобальта в расплаве - xCo.

0,1 0,2 0, 3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
[31]

aCo

0,050 0,1000 0,1700 0,230 0,3250 0,440 0,5800 0,740 0,890

aFe

0,900 0,8000 0,6900 0,560 0,4300 0,300 0,1750 0,090 0,030
[11]

aCo

0,080 0,1750 0,2700 0,384 0,4900 0,594 0,7500 0,808 0,910

aFe

0,900 0,7880 0,6750 0,570 0,4900 0,372 0,2700 0,178 0,100
средн. знач.

aCo

0,065 0,1375 0,2200 0,307 0,4075 0,517 0,6650 0,774 0,900

aFe

0,900 0,7940 0,6825 0,565 0,4450 0,336 0,2225 0,134 0,065



По данным таблицы 42 вычислим значения функций и для компонентов расплава Fe – Co. Эти вычисления приведены в таблице 43.


Таблица 43 – Обработанные исходные данные для системы Fe – Co.

железо кобальт
xFe

aFe

xCo aCo
0,1 0,065 0,650 -0,532 0,1 0,065 0,650 -0,532
0,2 0,134 0,670 -0,626 0,2 0,1375 0,687 -0,585
0,3 0,2225 0,742 -0,610 0,3 0,220 0,733 -0,633
0,4 0,336 0,840 -0,484 0,4 0,307 0,767 -0,735
0,5 0,445 0,890 -0,466 0,5 0,4075 0,815 -0,818
0,6 0,565 0,942 -0,376 0,6 0,517 0,862 -0,931
0,7 0,6825 0,975 -0,281 0,7 0,665 0,950 -0,570
0,8 0,794 0,9925 -0,188 0,8 0,774 0,967 -0,826
0,9 0,900 1,000 -0,000 0,9 0,900 1,000 -0,00

По данным таблицы 43 построим графики функций и (см. рисунок 51) на основании которых принимаем решение: дальнейшие вычисления проводить по данным для железа.


Корректировка данных.

Уравнение прямой для функции :

(131)

Таблица 44 – Скорректированные исходные данные для железа.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-0,7466 -0,676 -0,606 -0,536 -0,466 -0,396 -0,326 -0,256 -0,186 -0,115 -0,0453

0,00 0,058 0,136 0,231 0,338 0,453 0,570 0,684 0,794 0,839 1,00



Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Co:




Характеристики кобальта:




Термодинамические характеристики компонентов, при различных их концентрациях, приведены в таблицах 45 и 46. По данным этих таблиц построены графики (рисунки 52 и 53)


Таблица 45 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Co при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-0,747

-0,675

-0,604

-0,533

-0,463

-0,392

-0,322

-0,253

-0,183

-0,114

-0,0457

-0,747

-0,547

-0,387

-0,261

-0,167

-0,098

-0,052

-0,023

-0,007

-0,001

0,00

0,474

0,579

0,679

0,770

0,847

0,907

0,950

0,978

0,993

0,999

1,00

0,00

0,058

0,136

0,231

0,339

0,453

0,570

0,684

0,794

0,899

1,00

-----

-0,532

-0,626

-0,610

-0,484

-0,466

-0,376

-0,281

-0,188

0,00

----

0,00

0,065

0,134

0,2225

0,336

0,415

0,565

0,6825

0,794

0,90

1,00

-126148

-101590

-79807

-60754

-44382

-30647

-19504

-10910

-4,822

-1199

0,00

-61,144

-49,694

-39,398

-30,267

-22,313

-15,548

-9,985

-5,636

-2,514

-0,631

0,00



Функция

Концентрация кобальта в расплаве - xCo

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-0,393

-0,463

-0,534

-0,604

-0,675

-0,747

-0,818

-0,890

-0,963

-1,035

-1,1082

-0,393

-0,375

-0,341

-0,296

-0,243

-0,187

-0,131

-0,080

-0,039

-0,010

0,00

0,675

0,687

0,711

0,744

0,784

0,830

0,877

0,923

0,962

0,990

1,00

0,00

0,069

0,142

0,223

0,314

0,415

0,526

0,646

0,77

0,891

1,00

0,00

0,065

0,1375

0,220

0,307

0,4075

0,517

0,665

0,774

0,900

1,00

------

-0,532

-0,585

-0,633

-0,735

-0,818

-0,931

0,570

-0,826

0,00

-----

-122620

-99866

-79342

-61082

-45127

-31514

-20282

-11474

-5128

-1289

0,00

-62,2

-50,2

-39,522

-30,151

-22,072

-15,274

-9,74

-5,46

-2,418

-0,602

0,00

Таблица 46 – Вычисленные термодинамические характеристики кобальта в расплаве Fe – Co при Т=1873 К.



6.2.3 Система Fe – V.


Таблица 47 – Исходные данные при Т=1873 К.

функция

Концентрация железа в расплаве – xFe.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

aFe

0,02 0,06 0,13 0,22 0,34 0,47 0,61 0,76 0,89

0,200 0,300 0,433 0,550 0,680 0,783 0,871 0,950 0,990

aV

0,89 0,76 0,61 0,47 0,34 0,22 0,13 0,06 0,02

0,990 0,950 0,871 0,783 0,680 0,550 0,434 0,300 0,200

Таблица 48 – Обработанные исходные данные для системы Fe – V.
железо ванадий
xFe

aFe

xV aV
0,1 0,200 0,02 -1,987 0,1 0,200 0,02 -1,987
0,2 0,300 0,06 -1,881 0,2 0,300 0,06 -1,881
0,3 0,434 0,13 -1,707 0,3 0,434 0,13 -1,707
0,4 0,550 0,22 -1,661 0,4 0,550 0,22 -1,661
0,5 0,680 0,34 -1,543 0,5 0,680 0,34 -1,543
0,6 0,783 0,47 -1,526 0,6 0,783 0,47 -1,526
0,7 0,871 0,61 -1,529 0,7 0,871 0,61 -1,529
0,8 0,950 0,76 -1,282 0,8 0,950 0,76 -1,282
0,9 0,990 0,89 -1,117 0,9 0,990 0,89 -1,117


Уже из таблицы 48 становится очевидным, что термодинамические данные ванадия и железа абсолютно симметричны. Построим график функций i компонентов раствора (рисунок 54).

Продолжать расчеты будем по ванадию.


Корректировка данных.

Уравнение прямой для функции будет выглядеть так:

Таблица 49 – Скорректированные исходные данные для ванадия.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-2,0615 -1,965 -1,869 -1,773 -1,677 -1,581 -1,485 -1,389 -1,293 -1,197 -1,101

0,000 0,0204 0,0605 0,1258 0,2187 0,3367 0,4731 0,6177 0,7597 0,8893 1,000

(132)


Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики ванадия в расплаве Fe – V :





Характеристики железа:


Функция

Концентрация ванадия в расплаве - xV .

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-2,061

-1,957

-1,855

-1,756

-1,658

-1,561

-1,467

-1,373

-1,281

-1,190

-1,100

-2,061

-1,585

-1,188

-0,860

-0,597

-0,390

-0,235

-0,124

-0,051

-0,012

0,00

0,127

0,205

0,305

0,423

0,551

0,677

0,791

0,884

0,950

0,988

1,00

0,00

0,02

0,061

0,127

0,220

0,338

0,475

0,619

0,760

0,889

1,00

-71852

-57215

-44455

-33479

-24201

-16540

-10420

-5771

-2526

-622

0,00

-21,223

-17,364

-13,859

-10,720

-7,958

-5,584

-3,612

-2,054

-0,923

-0,233

0,00

Таблица 50 – Вычисленные термодинамические характеристики ванадия в расплаве Fe – V при Т=1873 К.


Таблица 51 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – V при Т=1873 К.

Функция

Концентрация железа в расплаве - xFe

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

-1,569

-1,663

-1,758

-1,855

-1,953

-2,053

-2,155

-2,259

-2,365

-2,474

-2,585

-1,569

-1,347

-1,125

-0,909

-0,703

-0,513

-0,345

-0,203

-0,095

-0,025

0,00

0,208

0,260

0,325

0,403

0,495

0,599

0,708

0,816

0,910

0,976

1,00

0,00

0,026

0,065

0,121

0,198

0,299

0,425

0,571

0,728

0,878

1,00

-66298

-54519

-43743

-34017

-25391

-17918

-11657

-6667

-3014

-766

0,00

-22,358

-17,915

-14,004

-10,609

-7,713

-5,301

-3,358

-1,870

-0,823

-0,204

0,00




121


6 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ, ВЫВОДЫ

С целью выявления общих закономерностей для рассмотренных выше бинарных систем, обобщим данные, полученные нами в результате термодинамического анализа. Для этого все термодинамические функции систем сведем в таблицы 52 – 60. В этих же таблицах приведены уравнения зависимости функции от концентрации рассматриваемых компонентов в расплаве, полученные из данных итоговых таблиц для каждой системы.

На рисунке 56 представлены графики вычисленных нами функций для рассмотренных систем. Для каждой системы имеем две линии - и . Цифрами обозначены точки пересечения этих линий в расплавах:

1-(Fe – Si); 2-(Fe – Al); 3-(Fe – V); 4-(Fe – Co); 5-(Pd – W); 6-(Fe – Mn); 7-(Fe – Cu); 8-(Fe – Cr) и 9-(Fe – Sn).


Таблица 52 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Si.

железо

кремний


Таблица 53 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Al.

железо

алюминий

;

.


железо

ванадий

Таблица 54 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – V.

Таблица 55 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Co.

железо

кобальт

;

.


Таблица 56 – Термодинамические характеристики компонентов системы W – Pd..

вольфрам

палладий


Таблица 57 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Mn.

железо

марганец


Таблица 58 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Cr.

железо

хром


Таблица 59 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Cu.

железо

медь


Таблица 60 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Sn.

железо

олово



Как уже говорилось, при функция по абсолютному значению должна убывать, и наоборот. Сплошные линии на рисунке 56 относятся к компоненту у которого , пунктирные – к компоненту с .

Каждой точке пересечения линий соответствует свое значение . Значения в точках пересечения обозначим . Таким образом, приравняв друг к другу уравнения линейных функций обоих компонентов бинарного раствора мы найдем значения концентраций этих компонентов в точках пересечения графиков их функций . Значения концентраций, соответствующих точкам пересечения графиков обозначим .

Результаты вычислений и соответствующие этим концентрациям приведены в таблице 61. Во всех системах прямые пересекаются примерно при одинаковых значениях . В среднем .

Система

1-(Fe – Si) 0,243 -4,902 -4,904 -4,903 10,168
2-(Fe – Al) 0,248 -3,332 -3,334 -3,333 4,186
3-(Fe – V) 0,249 -1,822 -1,822 -1,822 1,485

4-(Pd – W)

0,206 -0,903 -0,905 -0,904 7,505
5-(Fe – Co) 0,250 -0,572 -0,572 -0,572 1,0625
6-(Fe – Mn) 0,251 0,333 0,333 0,333 0,5903
7-(Fe – Cr) 0,250 0,615 0,616 0,6155 1,568
8-(Fe – Cu) 0,247 1,698 1,698 1,698 1,060
9-(Fe – Sn) 0,246 1,980 1,979 1,9795 2,076
Средн. знач. 0,243
Из рисунка 56 видно, что чем большее отклонение от идеальности имеет система, тем на больший угол расходятся рассматриваемые прямые. Угол между прямыми можно характеризовать величиной , т.е. абсолютным значением разности функций при концентрациях компонентов. Значения для рассматриваемых систем приведены в таблице 61.

Таблица 61 – обобщенные данные для рассматриваемых бинарных систем.

Построим график в координатах (см. рисунок 57). Из этого рисунка видно, что зависимость между и может быть описана в общем виде уравнением параболы второй степени:

(133)

Вычислим значение коэффициента с в уравнении (133) методом наименьших квадратов. Формула для вычислений:

(134)

Таблица 62 – Расчетные данные для отрицательных значений .

функция

Значения

-4,903 -3,999 -1,822 -0,572

24,039 11,109 3,320 0,327 -----

557,890 123,410 11,020 0,107 692,427

10,168 4,186 1,485 1,0625 -----

244,429 46,502 4,930 0,347 296,208

Подставив данные из этой таблицы в уравнение (134) получим:

Таким образом, для отрицательных значений имеем:

(135)

Для положительных значений составим такую же таблицу.

Таблица 63 – Расчетные данные для положительных значений .

функция

Значения

0,333 0,6155 1,698 1,9795

0,111 0,379 2,883 3,918 -----

0,012 0,1435 8,313 15,354 23,8225

0,2903 1,568 1,060 2,076 -----

0,032 0,594 3,056 8,134 11,816

Для положительных значений имеем:

(136)

Вычислим значения функции по уравнениям (135) и (136) и занесем их в таблицу 64.

Таблица 64 – Значения функции .

-5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0, 5 0,0

10,70 8,667 6,848 5,243 3,852 2,675 1,712 0,963 0,428 0,107 0,00

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 ---

0,124 0,496 1,116 1,984 3,100 4,464 6,076 7,936 10,044 12,40 ---

Значения , приведенные в данной таблице, нанесены на рисунок 57.


Итак, в целом, по данной работе можно сделать следующие выводы:

1 – на примере систем с различными отклонениями от идеальности, нами доказана применимость уравнения (98), полученного автором работы [9], к нахождению всех термодинамических характеристик раствора, основываясь лишь на данных об активности (или какой-либо другой характеристике) одного из компонентов этой системы;

2 – опробован графический способ определения коэффициентов альфа и бета в концентрационном уравнении (98);

3 – расчеты подтверждают тот факт, что точки пересечения графиков функций для обоих компонентов во всех рассмотренных нами бинарных металлических системах соответствуют концентрациям компонентов близким, в среднем, к 0,245;

4 – нами показано, что экспериментальные данные в виде точек в координатной плоскости ложатся на кривую, описываемую уравнением параболы второй степени. Однако, как видно из рисунка 57, знакопеременная система W – Pd (точка 4) не описывается ни уравнением (135), ни (136). Причины этого нам пока не ясны. Вероятно, это результат недостаточной корректности исходных данных.




Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Сибирский государственный индустриальный университет
Факультет электротермических технологий
Кафедра электрометаллургии стали и ферросплавов Дипломная работа на тему: Термодинамические характеристики расплавов на основе железа
Руководитель: Воробьев Анатолий Александрович
Исполнитель: Бородин Игорь Сергеевич студент группы ЭМ- 952

Новокузнецк 2000 АННОТАЦИЯ

Бородин И.С. Термодинамические характеристики расплавов на основе железа: дипломная работа по специальности «Металлургия черных металлов» (110100), специализации «Электрометаллургия стали и ферросплавов» (110103). Новокузнецк, 2000. – 124 с. табл. 64, ил.57, источников 32, чертежей 10 листов.

Проведен подробный термодинамический анализ компонентов бинарных металлических растворов с различными отклонениями от закона Рауля, основанный на использовании концентрационных уравнений.

Опробован графический способ определения коэффициентов альфа и бета в указанных выше уравнениях, связывающих термодинамические функции компонентов раствора с их концентрацией.

На основании рассмотренных растворов выявлены некоторые закономерности, являющиеся справедливыми для всех бинарных металлических систем.


Исполнитель ___________________ Бородин И.С.


ANNOTATION


Borodin I.S. The thermodynamic characteristics molten solutions on the basis of iron: degree work on a speciality " Metallurgy of ferrous metals " (110100), specialization " Electrometallurgy of steel and ferroalloys " (110103). Novokuznetsk, 2000. - 124 p., Tab. 64, ill. 57, sources 32, drawings 10 of sheets.

The detailed thermodynamic analysis of components of binary metal molten solutions with various deviations from the Raul`s law, based on use of the concentration equations is carried out.

The graphic way of definition of factors alpha and beta in the mentioned above equations connecting thermodynamic functions of components of a solution to their concentration is tested.

On the basis of the considered solutions some laws being fair for all binary metal systems are revealed.


The executor____________________ Borodin I.S.


СОДЕРЖАНИЕ




Введение _______________________________________________ 7
1 Термодинамика растворов

1.1 Основные понятия ____________________________________ 8

1.2 Растворы ____________________________________________ 13
2 Концентрационные уравнения для бинарных растворов с полной взаимной растворимостью

2.1 Вывод концентрационных уравнений ____________________ 31

2.2 Функция  ___________________________________________

34
3 Определение коэффициентов альфа и бета

3.1 Математический метод ________________________________ 37

3.2 Графический метод ___________________________________ 39

4 Использование метода наименьших квадратов при расчете функции ______________________________________________

44
5 Подробный анализ применимости концентрационных уравнений для описания реальных систем с различным характером отклонений от закона Рауля

5.1 Подробный анализ системы Fe – Cu _____________________ 46

5.2 Подробный анализ системы Fe – Si ______________________ 51

5.3 Подробный анализ системы W – Pd ______________________ 69
6 Системы с различным отклонением от идеальности

6.1 Системы с положительным отклонением от идеальности ____ 78

6.2 Системы с отрицательным отклонением от идеальности ____ 95
7 Обобщение результатов анализа, выводы _____________________ 112

Список использованных источников ________________________ 122

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы теории растворов занимают важное место в термодинамике. Образование растворов существенно изменяет условия протекания химических реакций. Как и в природе, так и в технике постоянно приходится иметь дело с растворами, а не с чистыми веществами.

Химически чистые вещества представляют собой лишь предельное состояние, которое никогда в действительности не достигается. Получаемое в современной технике методами вакуумной и зонной плавок чистейшие металлы все же содержат ничтожные количества (10-6 %) примесей, главным образом металлоидов, и по существу являются растворами. [1]

Самое чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит примесей до нескольких тысячных долей процента. Можно считать, что основная разница между бессемеровской сталью и сталью, выплавленной в мартеновской печи, заключается в наличии в первой около 0,01% азота, влиянием которого на свойства стали нельзя пренебрегать. [2]

Химические реакции при выплавке чугуна и стали происходят в растворах. В доменных и сталеплавильных печах жидкие чугун и сталь взаимодействуют со шлаком – раствором окислов. [1]

Задача термодинамической теории расплавов состоит в том, чтобы связать различные свойства растворов и найти способы предсказания свойств растворов, исходя из свойств чистых компонентов. Однако, настоящее время, рассчитать изменение термодинамических функций в процессе сплавообразования, исходя из свойств исходных компонентов, не представляется возможным. Основным источником информации является экспериментальное исследование. [3]

В данной дипломной работе рассмотрена возможность расчета, на основании экспериментальных данных о концентрационной зависимости одной из термодинамических характеристик компонента, изменения остальных его свойств.


124


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


1 Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. – Физическая химия. Издание 4-е, переработанное и дополненное. М.:Металлургия. 1987 г. – 542 с.

2 Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов: Пер. с англ., Н.Н. Сироты. – М.: Металлургиздат. 1960. – 582 с.

3 МорачевскийА.Г. Термодинамика расплавленных металлических и солевых систем. М.:Металлургия. 1987 г. – 239 с.

4 Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов. – 25 издание исправленное/ под редакцией В.А.Рабиновича. Л.:Химия. 1986 г. – 704 с.

5 Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: учебное пособие для вузов. – М.:Металлургия. 1988 г. – 288 с.

6 Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М.:Металлургия. 1987 г. – 272 с.

8 Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии. Справочник. М.:Металлургия. 1985 г. – 356 с.

9 Воробьев А.А. Связь термодинамических функций с концентрацией компонентов в бинарных металлических расплавах. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк. 1999. с. 89 – 91.

10 Физико-химические методы исследования металлургических процессов. / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников и др. – М.: Металлургия, 1988. – 509 с.

11 Новохватский И.А., Еремина М.И., Белова Б.Ф. Определение активностей компонентов в бинарных металлических сплавах по растворимости в них газов. // ЖФХ. 1975. 49. № 3. С. 628 – 630.

12 Петрушевский М.С., Гельд Р.В. к расчету термодинамических характеристик железокремнистых расплавов.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1969 г. №6. с.31 – 35.

13 Turdogan E.T., Yrieveson P. and Beisler J.F. Kinetic and Equilibrium Considerations for silicon reaction between silicate melts and graphite – saturated. Yron part 1: Reaction equilibrium // Transaction of the metallurgical society of AUME. 1963. v. 227. №6. p.1258 – 1265.

14 Срывалин И.Т., Есин О.А. Применение квазихимического метода к жидким железокремниевым сплавом // Изв. вузов. Черная металлургия. 1963 г. №5 с. 5 – 9.

15 Судавцова В.С., Баталин Г.И. Термодинамические свойства жидких сплавов эелеза с кремнием // Термодинамические свойства жидких сплавов. – Баку. ЭЛМ. 1975 с.151 – 154.

16 Nowakowski Jersy. Wspolczynniki aktywnosci skladnikow niektorych roztworow zawierajacych miedz.// Zesz nauk. AYH. 1974. №434. с. 137 – 151.

17 Sanbongi K. Ohtani M. Sci rep. Ynct. Tohocu univ., 1953, AS350. Цитируется по И.Т.Срывалину и О.Е.Есину. Применение квазихимического метода к жидким железокремниевым сплавам.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1963 г. №5. с.5 – 9.

18 Куликов И.С. Раскисление металлов. М.:Металлургия. 1975 г. – 504 с.

19 Судавцова В.С., Баталин Г.И., Ульянов В.И. Термодинамические свойства жидких сплавов железа с кремнием// Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1975 г. №1. с. 66 – 71.

20 Ватолин Н.А., Тимофеев А.И., Дубинин Э.А. Давление пара жидких сплавов на основе палладия.//Ж.Ф.Х. 1971. 45. №8. с.2078 – 2029.

21 Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с.

22 Korber F.,Oelsen W/ Mitt. K. – W. Ynst. Eisenforch., 1936. 18. s.109 – 130.

23 Хитрик С.И., Ростовцев С.Т., Емлин Б.И. и др. Активность кремния в ферросплавах.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1970 г. №6. с.55 – 61.

24 Судавцова В.С., Баталин Г.И., Ульянов В.И. Термодинамические свойства жидких сплавов Si c Fe //изв. АН СССР. Неорг.материалы,1975.№1 с.66–67

25 Steiler J–M., Ribound P., Onillon M. и др. Determination de l’activite thermodinamique des constituents du systeme Fe – Mn liquide par une metode d’entrainement // C.r. Acad. Sci. 1973. c.277, №22, 1207 – 1210.

26 Санбонги К., Отани М. Исследование активности сопутствующих элементов в жидком железе (III) // Тыцу то хогане. 1954. с.1106 – 1109.

27 Петрушевский М.С., Абрамычева, Гельд П.В. К термодинамике жидких растворов, характеризующихся большим отклонением от закона Рауля // Изв. вузов, черная металлургия 1973, №6, с.5 – 8.

28 Еременко В.Н., Лукашенко Г.М., Притула В.Л. Термодинамические свойства жидких сплавов олова с железом, кобальтом и никелем // Ж.Ф.Х. 1971, 45. №8, с.1993 – 1995.

29 Еременко В.Н., Лукашенко Г.М., Притула В.Л. Термодинамические свойства расплавов системы Fe – Sn.//Изв. АН СССР. Металлы. 1972, №1.с.99 – 102.

30 Баталин Г.И., Белобородова Е.А., Стукало В.А. и Гончарук Л.В. Термодинамические свойства жидких сплавов алюминия с железом // Ж.Ф.Х. 1971. №8. С.2007 – 2009.

31 Цемехман Л.Ш., Вайсбург С.Е., Широкова З.Ф. Активности компонентов в бинарных расплавах Fe – Ni, Fe – Co, Ni – Co.// Ж.Ф.Х. 1975. 45. №3, с.628 – 630.

32 Воробьев А.А. Характеристика отклонений реальных растворов от идеальности. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк. 1999. С. 91

Другие материалы

  • Термодинамика растворов неметаллов в металлических расплавах
  • ... в трехкомпонентном металлическом расплаве уже проявила свою эффективность при интерпретации экспериментальных данных для широкого круга систем и процессов, протекающих в расплавах и гетерогенных системах с участием жидкой фазы. Результаты расчетно-теоретического исследования термодинамики растворов ...

  • Термодинамическая диссоциация оксидов железа
  • ... Для реакций диссоциации оксидов железа эти зависимости представлены на рис. 5, из которого видно, что наименее прочным в этой системе является оксид железа , оксиды  и () более прочные, причем изменение их прочности происходит в соответствии со схемой, отмеченной выше: при  термодинамически устойчив ...

  • Кинетическое и термодинамическое исследование физико-химических процессов
  • ... результатов является более высокой ступенью в обработке результатов измерения, в физико-химическом анализе пока используется преимущественно графический метод. Геометрический образ — диаграмма — отражает, какие процессы прошли в системе: образовались ли механические смеси, твердые или жидкие ...

  • Переработка вторичного сырья: инструментальных сталей, осколков и пыли на основе твердых сплавов карбида вольфрама
  • ... на технологические процессы [2]. 3.5.1.Окислительные методы Их можно использовать и для переработки сплавов и кусковых отходов твердых сплавов. Применяемые в настоящее время инструментальные твердые сплавы базируются на карбидах вольфрама, титана и тантала или на смеси указанных соединений с ...

  • Родоначальные магмы: понятие и характеристика
  • ... многих магматических формациях. В разные периоды развития петрографической науки было предложено несколько гипотез о числе родоначальных магм, при расщеплении (дифференциации) которых возникает все разнообразие магматических горных пород. Еще в конце прошлого и начале текущего столетия крупнейшим ...

  • Физика, основы теории
  • ... алюминия, олова, ртути, свинца), а также ряда сплавов скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Это явление не может быть объяснено на основе классической электронной теории проводимости. Объяснение этому явлению дает только квантовая механика. Классическая электронная ...

  • Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии
  • ... », составленное по материалам представленной работы.   3. Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии Одна из главных задач химической науки и промышленности - получение необходимых человеку веществ (продуктов, материалов). Поэтому большинство учебных ...

  • Создание и исследование шпаклевочных паст на основе УПС и АВС
  • ... щелочного обезжиривания поверхность тщательно промывают горячей водой./3/ 1.2. Патентная проработка Ведется большое число исследований в области создания новых композиций на основе сополимеров стирола. Например, в работе /1/ разработаны композиции с гетерогенной послойно – неоднородной структурой ...

  • Основы промышленной экологии
  • ... 90% материальных ресурсов переходит в отходы, а основное количество энергии используется в производстве и потреблении. Поэтому главной задачей промышленной экологии является нахождение путей для рационального использования природных ресурсов, предотвращения их исчерпания, деградации и загрязнения ...

  • Синтез и свойства комплексов железа (II) и железа (III)
  • ... комплексных соединений. Наиболее характерным для железа (II) и железа (III) является координационное число (КЧ) = 6 (реже 4 и 5). Способность к комплексообразованию более характерна для железа в С/О = +3. Рассмотрим некоторые комплексы железа и методы их получения.   1.3.1 Гексацианоферраты ...

  • Общая и неорганическая химия
  • ... при эксплуатации котельных установок.ъВ общем случае под гидролизом понимают реакцию разложения вещества водой (от греч. «гидро» - вода, «лизис» - разложение). Гидролизу могут подвергаться белки, жиры, углеводы, эфиры и другие вещества. В неорганической химии чаще всего встречаются с гидролизом ...

  • Технология получения никелесодержимых сплавов с использованием отработанных никелесовместимых катализаторов
  • ... литейных сплавов есть отработанные катализаторы, которые содержат оксиды никеля, хрома, ванадия, молибдена и др. Эти материалы могут быть использованы в качестве легирующие компоненты для выплавки легированных чугуну и стали. Результаты исследований [11] показали, что использование отработанных ...

  • Петромагнетизм континентальной литосферы и природа региональных магнитных аномалий
  • ... -геофизических данных зона Иврея - тектонически выведенная на поверхность "пластина" нижней континентальной коры [Mehnert, 1975; Wasilewski and Fountain, 1982 и др.]. Над зоной зафиксирована региональная магнитная аномалия, которая по данным детальной магнитной съемки состоит из серии локальных ...

Каталог учебных материалов

Свежие работы в разделе

Наша кнопка

Разместить ссылку на наш сайт можно воспользовавшись следующим кодом:


Контакты

Если у вас возникли какие либо вопросы, обращайтесь на email администратора: admin@kazreferat.info