ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный технический университет»

 

Учреждение Российской академии наук Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук

 

 

Э.Х Ри, Хосен Ри, С.Н.Химухин

 

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,…   Хабаровск

Введение

Металлургия является отраслью тяжелой индустрии, занимающаяся получением и обработкой сплавов на железной, медной, никелевой, алюминиевой, магниевой, цинковой и другой основе. Металлургические процессы представляют собой сложную совокупность физических явлений и физико-химических процессов, протекающих обычно при высоких температурах.

Курс «Физико-химические основы металлургических систем и процессов» является неотъемлемой частью дисциплины «Теория металлургических процессов» и рассматривает физико-химическую сторону из всего разнообразия металлургической технологии. Этот курс занимает промежуточное положение между физической химией и металлургическими технологическими дисциплинами.

Металлургические реакции протекают обычно в сложных гетерогенных системах. Для них характерны разнообразные межфазовые взаимодействия, превращения в отдельных фазах, возникновение новых и исчезновение исходных фаз. При изучении поведения этих систем, как и при любом физико-химическом исследовании, следует выяснить три основных вопроса.

Во-первых, необходимо, установить их строение, т.е. число фаз, их характер и молекулярную структуру каждой фазы и границ раздела. Во-вторых, нужно определить условия, при которых возможны относительные состояния равновесия системы в целом или отдельных ее частей. Наконец, в-третьих, следует выяснить скорость и путь, с которой и по которому система стремится к равновесию, т.е. исследовать кинетику процессов. Для решения этих вопросов применяют методы статистической термодинамики.

Основная цель пособия заключается в приобретении студентами знаний, умений и навыков в использовании методов физической химии для анализа превращений, происходящих в металлургических агрегатах.

Предлагаемое учебное пособие по лабораторному практикуму «Физико-химические основы пирометаллургических процессов и исследование структурно-чувствительных свойств жидких металлов» включает основной перечень лабораторных работ по курсу «Физико-химические основы металлургических систем и процессов» для студентов специальностей «Литейное производство черных и цветных металлов» и «Технология художественной обработки металлов».

 

Глава 1. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основные понятия термодинамики

 

В результате химических реакций происходят глубокие изменения физико- химических свойств взаимодействующих веществ при одновременном выделении и поглощении тепла. Необходимо знать законы, определяющие превращение энергии при химическом взаимодействии. Распространение термодинамического метода на изучении химических реакций привело к образованию особого раздела термодинамики − химической термодинамики. То есть с одной стороны химическая термодинамика − это раздел общей термодинамики, а с другой − химическая термодинамика оказывает существенное влияние на развитие всей термодинамики в целом.

В термодинамическом методе условно все объекты материального мира разбиваются на систему и окружающую среду (внешнюю среду).

Система - это тело или группа тел, которые являются предметом исследования. Все остальные тела материального мира − окружающая среда.

Система имеет точные пространственные границы, отделяющие ее от окружающей среды. Причем это могут быть реальные физические поверхности раздела или воображаемая математическая поверхность. Рассматриваемые в физической химии системы − макроскопические, так как только для систем, состоящих из большого количества молекул можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота.

В зависимости от признака, общего, характерного для ряда систем, все системы характерного можно подразделить на :

1. По количеству компонентов в системе:

на однокомпонентные (чистое вещество) и многокомпонентные (смесь, раствор).

2. По количеству фаз в системе:

на однофазные (или гомогенные, или однородные) и многофазные (или гетерогенные или неоднородные)

3. По наличие взаимодействия системы с окружающей средойна изолированные, открытые и закрытые.

Система полностью лишенная возможности взаимодействовать с окружающей средой называется изолированной. Вообще говоря, это - научная абстракция, так как в природе нет материалов или средств, обладающих абсолютной изолирующей способностью. Но это очень полезная абстракция, которая позволяет создать математическую модель многих процессов, протекающих в действительности.

Условимся обозначать индексом "i" величины, характеризующие процессы, протекающие внутри системы (от латинского слова internal - внутренний), а индексом "е" −величины, характеризующие взаимодействие системы с окружающей средой ( этот индекс от латинского слова external - внешний)

Из всего множества взаимодействий выделим два: обмен между системой и окружающей средой энергией (обозначим энергию W) и обмен массой (m).

Запишем словами и математическими символами теперь классификацию систем:

Изолированная система- это такая система, где нет обмена с окружающей средой ни энергией , ни массой, то естьdW=0, dm=0

Открытая система − это такая система, где есть обмен и массой и энергией, то есть

Закрытая система - это такая система, где есть обмен энергией с окружающей средой, но нет обмена массой, то есть

4. По наличию химического превращения системы делятся на: системы с химическим превращением и системы без химического превращения.

Компоненты системы могут вступать в тесное взаимодействие друг с другом, при котором происходит преобразование одних компонентов в другие. Это преобразование называется химическим превращением.

Химическое превращениехарактеризуется изменением чисел молей компонентов, причем это изменение не связано с обменом веществом между системой и окружающей средой. То есть, если применить ранее введенные символы, то бесконечно малое изменение чисел молей компонента k, обусловленное участием частиц компонента в химическом превращении, обозначится как , а приращение числа молей компонента k, обусловленное массообменом с окружающей средой − как .

Общее приращение числа молей компонента k состоит:

 

(1.1)

 

Если нет массообмена между системой и окружающей средой, то

 

(1.2)

 

Если рассматривается система без химического превращения, то

 

(1.3)

 

Здесь следует остановиться на вопросе о термодинамических переменных или термодинамических параметрах или параметрах состояния.

Состояние системы – это совокупность всех физических и химических свойств.

Состояние любой термодинамической системы может быть охарактеризовано количественно с помощью термодинамических переменных. Все они взаимосвязаны, и для удобства построения математического аппарата их условно делят на независимые переменные и термодинамические функции. Переменные, которые фиксированы условиями существования системы, и, следовательно, не могут изменяться в пределах рассматриваемой задачи, называют термодинамическими параметрами. Различают переменные:

Экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц. Например, объем V, энергия U, энтропия S, теплоемкость С.

Интенсивные, которые не зависят от массы системы или числа частиц, например, температура T, плотность массы r, давление p. Отношение любых двух экстенсивных величин является интенсивным параметром, например, парциальный или мольный объемы, мольная или массовая доля.

Среди термодинамических переменных выделяют обобщенные силы () и обобщенные координаты (). Обобщенные силы характеризуют состояние равновесия. К ним относят давление p , химический потенциал компонента , температуру Т; электрический потенциал j. Обобщенные силы – интенсивные параметры.

Обобщенные координаты – это величины, которые изменяются под действием соответствующих обобщенных сил. К ним относятся: объем V; количество вещества n_k ; заряд q; энтропию S. Все обобщенные координаты – экстенсивные величины.

Различают следующие состояния системы:

- равновесное, когда все характеристики системы постоянны и в ней нет потоков вещества или энергии;

- неравновесное (неустойчивое) состояние, при котором всякое бесконечно малое воздействие вызывает конечное изменение состояния системы;

- стационарное, когда независимые переменные постоянны во времени, но в системе имеются потоки.

Если состояние системы изменяется, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс. Все термодинамические свойства строго определены только в равновесных состояниях. Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они рассматриваются не во времени, а в обобщенном пространстве независимых термодинамических переменных, т.е. характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущих от одного начального набора термодинамических переменных к другому– конечному.

Различают процессы:

- самопроизвольные, для осуществления которых не надо затрачивать энергию;

- несамопроизвольные, происходящие только при затрате энергии;

- обратимые, когда переход системы из одного состояния в другое и обратно может происходить через последовательность одних и тех же состояний, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остается макроскопических изменений;

- квазистатические или равновесные, которые происходят под действием бесконечно малой разности обобщенных сил;

- необратимые или неравновесные, когда в результате процесса невозможно возвратить и систему и ее окружение к первоначальному состоянию.

Термодинамические функции разделяют на:

- функции состояния, которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено;

- функции перехода, значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.

Примеры функций состояния: энергия, энтальпия, энергия Гиббса, энергия Гельмгольца, объем, давление, температура.

Примеры функций перехода: теплота Q и работа A.

Обозначим какую-либо функцию состояния системы через Е, а независимые переменные (или параметры состояния) через x и y . Запишем некоторые важные свойства функций состояния:

Справедливы следующие свойства Е:

 

1. (1.4)

 

где коэффициенты перед приращениями - частные производные функции Е по аргументу при постоянном значении параметров соответственно.

2. Очень важное свойство функции состояния заключается в том, что dE можно интегрировать:

 

(1.5)

 

Интеграл по замкнутому контуру, то есть изменение функции состояния в круговом процессе, равно 0:

Условие установления равновесия:

если выделить некоторую материальную систему и оградить ее от взаимодействия с окружающей средой, то по истечении некоторого времени в системе прекратятся какие-то бы ни было процессы. Наступит состояние макроскопического равновесия. Это состояние может быть нарушено только внешним воздействием.

Одним из постулатов термодинамики является утверждение:

«Если система А находится в тепловом равновесии с системой В, а та, в свою очередь, находится в равновесии с системой С, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии».

Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Энтальпия

Внутренняя энергия является частью полной энергии (в полную энергию входят кинетическая энергия, потенциальная энергия и внутренняя энергия). Внутреннюю энергию принято обозначать заглавной латинской буквой U. Внутренняя энергия системы зависит от природы вещества, его массы, параметров состояния системы. Внутренняя энергия –…

Первый закон термодинамики

Существует аддитивная функция состояния термодинамической системы, называемая внутренней энергией U. Энергия изолированной системы постоянна.   Первый закон термодинамики носит постулативный характер. Он базируется на многочисленных опытах. Его верность…

Второй закон термодинамики. Энтропия

  , (1.14)  

Глава 2. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ

Общие сведения о растворах

 

Гомогенную систему, состоящую из нескольких компонентов, т.е. образованную двумя и более индивидуальными веществами, принято называть раствором. Если компонентов два, то раствор бинарный, двойной или двухкомпонентный.

Растворы могут иметь различное агрегатное состояние. Кроме привычных для всех жидких растворов, получаемых либо смешением двух или более смешивающихся жидкостей, либо растворением в жидком растворителе различных веществ, бывают также растворы газообразные и твердые. Газообразными растворами можно считать смесь газов и иногда растворы жидкостей в газах. Твердые растворы получаются либо после охлаждения некоторых расплавов веществ, либо при растворении газов в твердых веществах.

Наука о растворах – одна из наиболее старых областей естествознания. По мере изучения свойств растворов были сформированы теории растворов. Одна из них – физическая (труды Вант-Гоффа, Аррениуса, Оствальда). Она предполагала, что в растворах молекулы растворенного вещества подобны молекулам идеального газа, они не взаимодействуют между собой и не взаимодействуют с растворителем. Другая теория растворов – химическая (труды Менделеева, Каблукова) указывала, что растворы нельзя считать простой механической смесью веществ, так как между всеми компонентами раствора всегда имеет место взаимодействие.

Вещества, которые могут быть выделены из раствора и существовать вне его, называются компонентами раствора [3]. С термодинамической точки зрения все компоненты раствора равноценны, и обычно применяемое деление их на растворитель и растворенные вещества условно. Обычно растворителем называют компонент, который либо присутствует в растворе в значительно большем количестве по сравнению с другими компонентами, либо имеет в чистом виде такое же агрегатное состояние, как и раствор (если остальные компоненты имеют при этом в чистом виде другое состояние). Принято то свойство, которое относится к растворителю, обозначать нижним индексом 1, а к растворенному веществу – либо индексом 2, либо буквой s .

Понятие состава раствора имеет две стороны: качественную и количественную. Качественная характеристика состава раствора – это указание числа и природы (вида) компонентов, образующих раствор. Например, состав раствора: два компонента, вода и ацетон. Или три компонента – вода, серная кислота, соляная кислота. Количественная характеристика состава раствора показывает число молей или массу каждого компонента, т.е. она является продолжением качественной характеристики. Числа молей и массы компонентов относятся к экстенсивным свойствам системы, в то время как давление и температура – к интенсивным. Чтобы оценить вклад компонентов раствора в интенсивные свойства, вводят на базе чисел молей или масс иные характеристики состава системы – концентрации.

Применяют различные способы выражения концентрации. Приведем в этом пособии только те, которые будем в дальнейшем использовать.

1. Мольные доли (или во многих учебниках – молярные доли).

Мольная доля компонента k () находится так:

 

. (2.1)

 

Принято какое-либо полное экстенсивное свойство раствора обозначать соответствующей буквой без индекса. В формуле (2.1) n – число молей всего раствора или общее число молей.

Очевидно, что

 

. (2.2)

 

2. Массовые доли компонентов :

; (2.3)

. (2.4)

 

3. Молярная концентрация (с) – отношение количества вещества в молях к объему системы (моль/м³). Иногда эту концентрацию называют также плотностью числа молей [6], а саму концентрационную шкалу молярной концентрации – с-шкалой.

. (2.5)

 

4. Массовая концентрация – это отношение массы компонента к объему системы (кг/м³). Эту концентрацию также называют плотностью массы компонента, а концентрационную шкалу – - шкалой.

 

. (2.6)

 

5. Мольная концентрация раствора – это отношение количества растворенного вещества к массе растворителя (моль/кг). Эту концентрацию также можно назвать мольно-массовым отношением [6] или концентрацией в d-шкале.

. (2.7)

 

Согласно Международной системе единиц (СИ) к концентрациям, строго говоря, следует относить только массовую и молярную концентрации.

Концентрацию одного и того же раствора можно выразить различными способами, так как все виды концентраций связаны между собой. Это подробно рассмотрено в [10].

 

Парциальное мольное свойство компонента раствора

  . (2.8)  

Глава 3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ

Определение поверхностного натяжения

Жидкие вещества обладают хорошо известным характерным свойством сокращать свою поверхность, благодаря чему мелкие капли расплавленных металлов… Поверхностное натяжение – отношение суммы поверхностных сил к длине или…  

Методы измерения поверхностного натяжения

1) В статических методах поверхностное натяжение определяется на основе изучения равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит… В методе Вильгельма определяется сила, которая необходима для уравновешивания…  

Определение проводимости расплавов материалов

- электролитического получения металлов; - эффективного рафинирования и модифицирования; - термического воздействия на расплав;

Методы измерения проводимости расплавов металлов и сплавов

Контактный метод связан с погружением электродов в жидкий металл, находящийся в электроизмерительной ячейке (специальной емкости небольшого… В основу контактного метода измерений электрической проводимости жидких…  

Методы измерения электрической проводимости расплавленных шлаков

В методе моста измеряемое электрическое сопротив­ление расплава является одним из плеч мостика Уитстона. В качестве нуль-инди­катора в первых схемах… В большинстве случаев измерения проводят при пе­ременном токе высокой частоты… При измерении электрической проводимости распла­вов на обычном мосте переменного тока определяемое электрическое…

Бесконтактные методы измерения электрической проводимости металлургических расплавов

  Рис. 3.4. Схема бес­контактного измере­ния электрической проводимости рас­плавов во вращаю­щемся магнитном по­ле: 1 —…   Принципиальная схема установки, работающей на методику вра­щающегося магнитного поля, не отличается от схемы…

Определение плотности расплавов

  а2 = σ /(d g); β = γ Сv χ/ V; η = νd, (3.25)  

Методы определения плотности расплавов

  ∆М = Vd, (3.28)  

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2. Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Крашенинников М.Г., Пронин Л.А., Филиппов Е.С. Физико-Химические методы исследования металлургических процессов М.:… 3. Бауман Б.В., Благов Б.Н., Исаханян Н.Т. Литейное производство М.,… 4. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Кристаллизация в литейной форме. Машиностроение,…

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Лабораторная работа №1

 

Металлотермическое восстановление металлов

 

Цель работы:

Ознакомление с методами металлотермического восстановления и условиями протекания алюминотермических процессов.

 

Основные теоретические положения

Термодинамический анализ

Термодинамические расчеты необходимы при плавке, рафинировании и модифицировании, а также при внепечной обработке черных и цветных сплавов. В этих… Мерой химического сродства элементов в реакциях является изменение стандартной… Реакции окисления и восстановления металлов описываются уравнениями типа:

Алюмотермия

Алюминотермия, алюминотермический процесс - получение металлов и сплавов восстановлением окислов металлов алюминием. Шихта (из порошкообразных… Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла,… Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в частности стыков трамвайных рельсов.…

Расчет степени извлечения конечной продукции

Коэффициент выхода конечной продукции В,% определяется как отношение массы полученного сплава к массе шихты

Расчет выхода годного проводится с учетом массы полученного сплава m_n и заданной массы сплава m_з, и выражается формулой:

 

В% = m_n/ m_з·100%

 

Порядок выполнения работы

1. Выявить термодинамическую возможность получения ферросплава заданного состава.

2. Оценить тепловую сторону процесса.

3. Рассчитать шихту для получения определенного количества сплава заданного состава.

4. Взвесить на весах все компоненты шихты, высыпать в фарфоровую чашку, тщательно перемешать (шихта должна быть однородной).

5. Загрузить шихту в тигель, сверху насыпать небольшое количество магниевой стружки (ее назначение состоит в первоначальном создании высоких температур). Магниевую стружку зажечь.

6. После окончания процесса продукты плавки охладить и извлечь из тигля.

7. Рассчитать выход годного (В%).

8. Сделать вывод.

Задания

Рассчитать требуемый ферросплав определенного состава. Исходные данные для выполнения задания взять в таблице 1.2.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть о металлотермическом восстановлении в том числе и в солевом расплаве.

3. Выполнение работы.

Описать проведенный эксперимент.

Рассчитать выход конечной продукции (степень извлечения).

4. Вывод.

Контрольные вопросы

1. Что является мерой химического сродства элементов в реакциях?

2. Какое условие необходимо для восстановления металла из оксида?

3. Каково назначение металлотермического восстановления?

4. Как оценить тепловую сторону процесса?

5. Возможно ли металлотермическое восстановление, если DG^° реакции имеет положительное значение (DG^°>0)?

6. Изложите сущность правила Жемчужного.

7. Как определить направление реакции?

8. Что понимают под алюминотермией?

9. Что характеризует устойчивость оксида?

10. Что понимают под растворением оксидов концентрата?

11. Почему увеличение температуры перегрева выше оптимальной - уменьшает коэффициент выхода конечной продукции?

Библиографический список

2. Общая химическая технология. С. 125-126 3. Общая металлургия 4. Металлургия редких металлов А.Н. Зеликман, Г.А. Меерсон.М.: Металлургия 1973, 608 с.

Лабораторная работа 2

Получение металлических порошков вольфрама и молибдена

В расплавах солей

Цель работы: Использование металлотермического восстановления для получения металлических порошков вольфрама и молибдена в расплавах солей.

 

Основные теоретические положения

В последние десятилетия получили серьезное развитие технологии механического измельчения металлов и распыления расплавов, посредством которых… Таким образом, перспективы снижения себестоимости порошков связаны с… При теоретическом рассмотрении условий металлотермического восстановления кислородных соединений вольфрама, молибдена…

Термодинамическая оценка реакций получения вольфрама и молибдена

р/n MnXm + mM´ = pM +m/n M´nXp – ΔHºT (2.1) где MnXm – восстанавливаемое соединение; M´ – элемент восстановитель; М… Условия проведения восстановительных реакций определяют на основании термодинамического анализа реакций.…

Порядок выполнения работы

2. Оценить термодинамическую возможность восстановления Mo и W из оксидных фаз в ионных расплавах. 3. Выбрать соли (система из нескольких солей) для использования в качестве… 4. Рассчитать шихту для получения порошков Mo или W с учетом выбранной системы солей и восстановителя (Mg или Al).

Задания

1. Выбор солей и восстановителя (Mg или Al), расчет шихты для получения максимальной степени извлечения порошков вольфрама или молибдена (по указанию преподавателя).

2. Для различных составов шихты провести термический анализ на дериватографе с оценкой кинетики металлотермии (состав шихты выбрать по рекомендации преподавателя).

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теория металлотермического синтеза Mo и W из оксидных фаз в солевой среде.

3. Выполнение работы и описание проведенного эксперимента.

4. Расчет коэффициента выхода конечной продукции.

5. Выводы.

Контрольные вопросы.

1. Сущность металлотермического восстановления Mo и W из оксидных фаз. Термодинамическая оценка этого процесса.

2. Сущность металлотермического восстановления Mo и W из оксидных фаз в расплавах солей щелочноземельных элементов.

3. Какую функцию выполняют щелочные соли при металлотермическом восстановлении металлов из оксидных фаз.

4. Как влияет температура металлотермического восстановления металлов из оксидных фаз на основные термодинамические параметры процесса.

5. С чем связан эндотермический эффект при синтезе металлов из их оксидных фаз?

6. С чем связан экзотермический эффект при синтезе металлов из их оксидных фаз?

7. При окислении происходит, какой эффект - эндотермический или экзотермический процесс?

8. При распаде молекул реагента шихты, какой процесс происходит, эндотермический или экзотермический?

9. Назовите основные параметры термического анализа на установке Дериватограф.

Библиографический список.

1. Крестовников А.И., Вигдорович В.Н., Химическая термодинамика. – М.: Металлургиздат, 1962. – 280 с.

2. Вилсон Д.Р Структура жидких металлов и сплавов. Перев. с англ. Металлургия, 1972. 247 с.

3. Белов В.Д., Иоффе М.А., Колокольцев В.М., Хосен Ри, Э.Х. Ри, Тимофеев Г.И. Теория литейных процессов – Хабаровск: Изд-во «РИОТИП» краевой типографии, 2008. – 580 с.

4. Ри Хосен Теория литейных процессов Учебное пособие - Хабаровск: Издательство ХГТУ 2001 г. 275 с.

 

 

Лабораторная работа 3

Разложение карбоната кальция

Цель работы – Определение константы равновесия и расчет основных термодинамических величин реакции разложения карбоната кальция.

Основные теоретические положения

  (3.1)  

Обработка результатов эксперимента.

    Таблица 3.1.

Задания

1. Рассчитать константы равновесия и3основные термодинамические величины реакции разложения карбоната кальция.

3.4. Содержание отчета

1. Цель работы

2. Теоретическая часть с описанием реакции разложения карбоната кальция.

3. Выполнение работы с заполнением таблицы результатами эксперимента.

4. Краткое описание проведенного эксперимента.

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Как можно оценить условия химического равновесия реакции?

2. Что такое состояние равновесия, и какими термодинамическими параметрами можно оценить это состояние?

3. Что называется константой равновесия химической реакции?

4. Что такое закон действующих масс?

5. Химизм разложения карбоната кальция?

6. Чем отличаются константы равновесия в гомогенных и гетерогенных химических реакциях?

7. Химизм восстановления оксида железа оксидом углерода.

8. Как можно оценить стандартные энтальпию и энтропию?

Библиографический список

1. Крестовников А.И., Вигдорович В.Н., Химическая термодинамика. – М.: Металлургиздат, 1962. – 280 с.

2. Наумов Г.В., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л. Справочник термодинамических величин. – М: Атомиздат. – 1971. – 239 с.

3. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. – М.: Химия. 1970. – 569 с.

Лабораторная работа №4

Определение поверхностного натяжения расплавов методом лежащей капли

 

Цель работы:

Получить теоретические представления о поверхностном натяжении и его связи. Освоить методики измерения.

Основные теоретические положения

Поверхностное натяжение

На поверхности раздела жидкий металл – насыщенный пар существует асимметрическое силовое поле, т. е. силы взаимодействия атомов, находящихся в… Поверхностное натяжение отражает характер и величину сил межчастичного… При производстве чугуна и стали поверхностные явления играют решающую роль. Исключительно велико значение…

Поверхностное натяжение и смачиваемость

Термодинамика рассматривает поверхностное натяжение как меру изменения свободной энергии системы при изменении ее поверхности: (4.2) Отсюда видно, что самопроизвольными могут быть только те процессы, которые сопровождаются уменьшением поверхности…

Методы определения поверхностного натяжения

При определении поверхностного натяжения методом максимального давления (рис. 4.4) в расплав через трубу (капилляр d»2 мм) медленно подается газ. С… , (4.11) где g - плотность расплава; r – радиус капилляра; h – глубина погружения капилляра в расплав; rm, hn – плотность и…

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя задание для выполнения работы (Снимок капли).

2. Нарисовать меридиальный контур капли жидкого металла (рис.4.6).

3. Определить по формуле (4.16) радиус кривизны при вершине капли.

4. Определить по формуле (4.17) капиллярную постоянную а² и поверхностное натяжение σ.

5. Вычислить плотность и краевой угол смачивания по формуле (4.21).

Задания

1. Изучить теоретические положение для выполнения цели работы.

2. Рассчитать значения поверхностного натяжения, плотности, объема жидкой капли и краевой угол смачивания.

4.5. Содержание отчета.

1. Краткие сведения о поверхностном натяжении и его связи с другими структурно-чувствительными свойствами.

2. Изложить методы измерения поверхностного натяжения.

3. Расчеты объема, плотности, капиллярной постоянной и поверхностного натяжения.

4. Выводы

Контрольные вопросы

1. Что называется поверхностным натяжением?

2. Природа поверхностных сил?

3. Как образуется двойной электрический слой?

4. Как влияет температура на поверхностное натяжение?

5. Как влияет поверхностное натяжение на растворимость веществ друг в друге?

6. Что такое смачиваемость?

7. Как связаны плотность и поверхностное натяжение?

8. Смачиваемость и ее влияние на литейные свойства (жидкотекучесть, заполняемость, взаимодействие металла с формой) и процессы зарождения центров кристаллизации и их роста.

 

Библиографический список

1. Ри Хосен Влияние компонентов на свойства жидкой фазы и структурообразование синтетических чугунов. – Хабаровск: Изд-во ХПИ. – 1997. – 196 с.

2. Арсентьев П.П. и др. Экспериментальные работы по теории метал­лургических процессов. М.: Металлургия, 1989. 288с.

3. Корольков А.М. Литейные свойства металлов и сплавов. М.:
Наука, 1967. 200с.

4. Арсентьев П.П. и др. Физико-химические методы-исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988. 51c.

5. Сборник статей. Физико-химические основы металлургических процессов. Москва, 1964. 209с.

 

Лабораторная работа №5

Исследование электросопротивления расплава

 

Цель работы:

Получить теоретические сведения об электросопротивлении металлического расплава. Изучить методику измерения электросопро­тивления. Научиться рассчитывать измеряемую величину с заданной точностью и оценивать погрешность эксперимента.

 

Основные теоретические положения

Основные теоретические положения изложены в теоретической части пособия.

Порядок выполнения работы

1. Опишите методику эксперимента.

2. Определите амплитуду А отк­лонения светового зайчика на полупрозрачной линейке для заданных температур расплава по методу А.Р. Регеля.

3. Рассчитайте для заданных температур расплава значения фактическое значение ρ по формуле (3.24).

4. Методом наименьших квадратов определите коэффициенты линей­ной регрессии полученной температурной зависимости.

5. Используя уравнение регрессии найдите для каждой температуры истинные значения ρ и рассчитайте величину относительной погрешности.

6. Найдите погрешность метода.

7. Постройте график зависимости электросопротивления от температуры (политерма электросопротивления).

8. Выводы.

Задания

Для расчета абсолютного значения удельного электросопротивления необходимо найти константу к₅ для заданного сплава по таб. 5.1.

Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения.

2. Методика эксперимента.

3. Расчет удельного электросопротивления.

4. Уравнение линейной регрессии температурной зависимости.

5. График ρ (t ) (политерма электросопротивления).

6. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое удельное электросопротивление?

2. Какова связь между электропроводностью и электросопротивлением?

3. Что является носителем заряда в жидком металле?

4. Температурная зависимость электросопротивления?

5. Квантовые представления об электропроводности?

6. Влияние примесей на электропроводность?

7. Методика вращающегося магнитного поля?

8. Оценка погрешности эксперимента.

9. Как изменяется электросопротивление металлов при плавлении?

Библиографический список

2. О.И. Островский и др. Свойства металлических расплавов. М.: Металлургия, 1988. 304 с. 3. Е. Т. Туркдоган. Физическая химия высокотемпературных процессов. М.:… Таблица 5.1

Лабораторная работа №6

 

Исследование плотности расплавов

Цель работы:

Получение теоретических сведений о плотности расплава, взаимосвязи строения жидкой фазы с плотностью и другими физическими свойствами, а также характером кристаллизации. Научиться рассчитывать измеряемую величину с заданной точностью.

Основные теоретические положения

Основные теоретические положения изложены в теоретической части пособия.

Порядок выполнения работы

Электронная аппаратура должна перед началом работы быть прогрета. Поэтому ее включение проводится за час до начала, изме­рение. Образец в тигле… После расплавления образца (момент плавления наблюдают через слюдяное оконце)…

Задания

Все исходные данные необходимо получить у преподавателя

Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения.

2. Методика эксперимента.

3. График зависимости температура – время

4. График зависимости интенсивность - температура

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое плотность?

2. Какова связь между плотностью в жидком и твердом состоянии?

3. Что является носителем заряда в жидком металле?

4. Температурная зависимость плотности?

5. Методика измерения плотности расплава.

6. Как определяются косвенные параметры жидкого состояния и коэффициент термического сжатия?

7. Как изменяется интенсивность гамма-проникающих излучений при кристаллизации чугунов:

- избыточного аустенита;

- графитной эвтектики;

- ледебуритной эвтектики.

8. Как изменяется интенсивность гамма-проникающих излучений при эвтектоидном превращении:

- при образовании Ф + Ц₁;

- при образовании Ф + Г.

9. Как можно определить механизм эвтектической кристаллизации согласно политермам интенсивности?

Библиографический список

1. П.П. Арсентьев и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989. 288 с.

2. О.И. Островский и др. Свойства металлических расплавов. М.: Металлургия, 1988. 304 с.

3. Е. Т. Туркдоган. Физическая химия высокотемпературных процессов. М.: Металлургия. 1985. 114с.

4. Теория литейных процессов/Под ред. профессора Ри Хосен/ Белов В.Д., Колокольцев В.И., Ри Хосен и др., Хабаровск: Хабаровская краевая типография. – 2008.- 578 с.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Учебное пособие по дисциплине «Физическая химия металлургических систем и процессов» для студентов очной формы обучения специальностей 150104.65 «Литейное производство черных и цветных металлов» и 261001.65 «Технология художественной обработки материалов»

 

 

Ри Э.Х., Ри Хосен, Химухин С.Н.

 

 

Печатается с авторского оригинала-макета

 

 

Главный редактор Л.А. Суевалова

Дизайнер М.В.Привальцева

 

Подписано в печать 13.12.11 Формат 60*84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 5,35. Тираж 100 экз. Заказ 236

 

 

Издательство Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.