第一章冶金热力学 1.1引言 冶金热力学的性质和研究内容 将热力学基本原理用于研究冶金过程、化学变化及相关的物理现象即为冶金热力 热力学实用于宏观体系,它的基础主要是热力学第一定律和热力学第二定律。其 中第一定律用于研究这些变化中的能量传化问题,第二定律用于上述变化过程的方 向、限度以及化学平衡和相平衡的理论。 概括起来,热力学研究的内容为:方向和限度问题。 、局限性: 热力学不涉及过程的速率和机理。这一特点决定了它的局限性,即只指出某一变化 在一定条件下能否发生,若能发生,其方向和限度如何,而无法解释其发生的道理 也不可能预测实际产量。只预测反应发生的可能性,而不问其现实性;只指出反应 的方向、变化前后的状态,而不能得出变化的速率
1．1 引言 一、冶金热力学的性质和研究内容： • 将热力学基本原理用于研究冶金过程、化学变化及相关的物理现象即为冶金热力 学。 • 热力学实用于宏观体系，它的基础主要是热力学第一定律和热力学第二定律。其 中第一定律用于研究这些变化中的能量传化问题，第二定律用于上述变化过程的方 向、限度以及化学平衡和相平衡的理论。 •概括起来，热力学研究的内容为：方向和限度问题。 二、局限性： 热力学不涉及过程的速率和机理。这一特点决定了它的局限性，即只指出某一变化 在一定条件下能否发生，若能发生，其方向和限度如何，而无法解释其发生的道理， 也不可能预测实际产量。只预测反应发生的可能性，而不问其现实性；只指出反应 的方向、变化前后的状态，而不能得出变化的速率。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 2热力学基本概念 、系统与环境 、体系的性质、状态、状态函数 体系表现出来的宏观性质称为体系的热力学性质,也称热力学变量。如质量、温度、 体积、压力、密度、表面张力、电导率等。体系的各性质之间有一定关系,在一定状态下 可以采用数学函数表示这种关系,即称为状态函数 体系状态和状态函数是单值对应的, 三、过程和途径 等温过程;等压过程;等容过程;绝热过程;可逆过程; 对复杂的冶金过程,一般无法用单一过程描述,但可以结合状态函数的特点,将复杂 过程分解成若干个上述的单一过程的组合
1．2 热力学基本概念 一、系统与环境 二、体系的性质、状态、状态函数 体系表现出来的宏观性质称为体系的热力学性质，也称热力学变量。如质量、温度、 体积、压力、密度、表面张力、电导率等。体系的各性质之间有一定关系，在一定状态下， 可以采用数学函数表示这种关系，即称为状态函数。 体系状态和状态函数是单值对应的， 三、过程和途径 等温过程；等压过程；等容过程；绝热过程；可逆过程； 对复杂的冶金过程，一般无法用单一过程描述，但可以结合状态函数的特点，将复杂 过程分解成若干个上述的单一过程的组合。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 四、热和功 热和功是体系发生变化时与环境交换能量的两种形式。它们都不是体系的性质。热和 功都用能量单位,常用焦尔(J,千焦尔(kJ)表示 体系与环境之间由于温度的不同而传递的能量为热,以Q表示。 体系与环境之间传递的其它形式的能量统称为功,以W表示 五、内能 内能是体系内部储存的总能量,常用U表示,单位为KJ或J。 内能绝对值的不可知性。当体系状态改变后,内能的变化常以功、能的形式表现出来 而这一部分能量是可测的,所以,常用到内能的变化值△U 内能是体系的性质,是状态函数
四、热和功 热和功是体系发生变化时与环境交换能量的两种形式。它们都不是体系的性质。热和 功都用能量单位，常用焦尔（J），千焦尔（kJ）表示。 体系与环境之间由于温度的不同而传递的能量为热，以 Q 表示。 体系 与环境之间传递的其它形式的能量统称为功，以 W 表示。 五、内能 内能是体系内部储存的总能量，常用 U 表示，单位为 KJ 或 J。 内能绝对值的不可知性。当体系状态改变后，内能的变化常以功、能的形式表现出来， 而这一部分能量是可测的，所以，常用到内能的变化值ΔU。 内能是体系的性质，是状态函数， 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 1.3能量守恒-热力学第一定律 热力学第一定律 1、学第一定律的数学表述 △U=Q+W du=8Q+8w (1-1) 符号:Q表示热能,W表示体系状态变化所做的功d表示微分,8表示微小变化 变量δQ和δW取决于经过的路径,而dU仅取决于始末态 2、它几点说明 (1)对一个孤立的体系,热力学第一定律实际即为能量守恒定律; (2)功W可以是机械功或者是某种其他形式的功(而是化学的等等),机械功 般是由压力引起的,并可表示为-PdV,如果以W表示非机械功,则有 J=8Q-PdV+8 W (1-3) (3)各参量的正负号问题,在(1-1)中,吸热时Q为正,环境对体系做功时W 为正
1．3 能量守恒----热力学第一定律 一、 热力学第一定律 1、 学第一定律的数学表述 ΔU=Q+W dU=δQ+δW （1-1） 符号：Q 表示热能，W 表示体系状态变化所做的功 d 表示微分, δ表示微小变化。 变量δQ 和δW 取决于经过的路径，而 dU 仅取决于始末态 2、 它几点说明 （1） 对一个孤立的体系，热力学第一定律实际即为能量守恒定律； （2） 功 W 可以是机械功或者是某种其他形式的功（而是化学的等等），机械功 一般是由压力引起的，并可表示为-PdV，如果以 W´表示非机械功，则有 d U=δQ-PdV+δW´ （1-3） （3） 各参量的正负号问题，在（1-1）中，吸热时 Q 为正，环境对体系做功时 W 为正。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 一、热与焓 1焓和热的关系 冶金中最常见的的恒压下,此时有 Q=△UHP△V或8Q=d+PVd(UHPV) 取HUHⅣ(焓的定义式),则有 dh 8Qp (1-8) H为状态函数,其热值只取决于体系的末态,与过程的具休途径无关。 2.几点说明 (1)由推导可知,只有在恒压状态,焓变等于过程吸放热值。 (2)焓的敏对值的柯踟性。和U-样也无法知道H的確值但可测得其变 化值。通常利用个取为标的状态为参考点,得出过程状态变的△H (3)标准街犬态:对个元素来说,标雀态是在25C(28K和玉力为大气压 下,它能稳定存在的态,此时△F0,其。如29K时为固态的元素,△H °2-0。对298K时的汽气态元素,在101325a时,△H2=0 (4)化合物的成含:标犬态下,由稳定单质生成1mle某化合物的反应 的焓变△H
一、 热与焓 1焓和热的关系 冶金中最常见的的恒压下，此时有 QP=ΔU+PΔV 或 δQP= dU + PdV =d（U+PV） （1-7） 取H=U+PV（焓的定义式），则有 dH=δQP （1-8） H为状态函数，其热值只取决于体系的始末态，与过程的具体途径无关。 2．几点说明 （1） 由推导可知，只有在恒压状态，焓变等于过程吸放热值。 （2） 焓的绝对值的不可知性。和U一样，也无法知道H的确定值，但可测得其变 化值。通常利用一个取为标准的状态为参考点，得出过程状态变化时的ΔH。 （3） 标准状态：对一个元素来说，标准状态是在25ºC（298K）和压力为一大气压 下，它能稳定存在的状态，此时ΔHº=0，其。如298K时为固态的元素，ΔH º298=0。对298K时的气态元素，在101325Pa时，ΔHº298=0。 （4） 化合物的标准生成焓：标准状态下，由稳定单质生成1mole某化合物的反应 的焓变ΔH。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 、热容与过程所需热的计算 1、热容的定义 热容是热力学计算的重要物理量,它是物质在某条件下温度升高(或降低)一度吸收 (或放出)的热量。单位质量的物质的热容为比热,单位为kJ…k2·kg2。摩尔物质的热容 三称为摩尔热容,单位为J·k·m01。热容和比热与物质的性质、状态、数量单位、温度、 加热条件等有关。 摩尔体系在等容和等压过程温度改变一度所需热量分别叫作等压摩尔热容C和等容 摩尔热容C,m。 c aH dQy maU (1-10) dT aT' dT aT
一、 热容与过程所需热的计算 1、热容的定义 热容是热力学计算的重要物理量，它是物质在某条件下温度升高（或降低）一度吸收 （或放出）的热量。单位质量的物质的热容为比热，单位为 kJ·k -1 ·kg-1 。摩尔物质的热容 称为摩尔热容，单位为 J·k -1 ·mol-1 。热容和比热与物质的性质、状态、数量单位、温度、 加热条件等有关。 一摩尔体系在等容和等压过程温度改变一度所需热量分别叫作等压摩尔热容CP，m和等容 摩尔热容 CV，m。 P P m P m T H dT Q C ( ) , , = = V V m V m T U dT Q C ( ) , , = = （1-10） 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 2、热容的表述 摩尔热容是一个温度函数,其值可通过实验测定。在科技手册中可查到物质不同温度 下的热容,有的用数据表示,有的用CpT关系曲线表示,更多的是采用Cpmf(T)的函 数关系表示,常用的函数格式为 Cpn=a+b7+c72+… (1-13) Pm=a+6T+cT-2 式中a,b,c,c′是各物质的特性常数,它随物质种类、相态及温度的变化而变化。 大多数纯物质的这些常数可在有关手册中查到
2、热容的表述 摩尔热容是一个温度函数，其值可通过实验测定。在科技手册中可查到物质不同温度 下的热容，有的用数据表示，有的用 CP—T 关系曲线表示，更多的是采用 CP，m=f（T）的函 数关系表示，常用的函数格式为 CP,m = a + bT + cT 2 + （1-13） CP,m = a + bT + c ' T −2 + （1-14） 式中 a，b，c，c´ 是各物质的特性常数，它随物质种类 、相态及温度的变化而变化。 大多数纯物质的这些常数可在有关手册中查到。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 一、状态改变时过程的热焓 1、变温过程的应用 过程无相变时,热焓变化为AH=Cpnd T 由于相变过程的焓变为一常数,对相变和温度变化同时存在的过程,可分段进行计算 2、当物质经历一个相变过程,如熔化、结晶、蒸发、凝结或同素异形变化时,它吸收 或放出一定的热量,如为等压过程,则可由焓变来计算,为该物质在温度T的相变焓。 3、当存在相态变化时的焓变计算 HT 29 328p(S)dT +Hc+CpndT+AH+Cpandt +ah,+ cplodt (1-17) 式中△Hc、△Hf、ΔHb分别表示再结晶、熔化和汽化时的焓变; Tc、Tf、Tb分别表示再结晶、熔化和汽化温度
一、 状态改变时过程的热焓 1、变温过程的应用 过程无相变时，热焓变化为 = 2 1 , T T H CP m dT 。 由于相变过程的焓变为一常数，对相变和温度变化同时存在的过程，可分段进行计算。 2、当物质经历一个相变过程，如熔化、结晶、蒸发、凝结或同素异形变化时，它吸收 或放出一定的热量，如为等压过程，则可由焓变来计算，为该物质在温度 T 的相变焓。 3、当存在相态变化时的焓变计算 − = + + + + + + Tc T Tb P g Tb Tf f P l b Tf Tc T P S C P S H H C dT H C dT H C dT H C dT 298 298 ( ) ( ) ( ) ( ) （1-17） 式中 ΔHc、ΔHf、ΔHb 分别表示再结晶、熔化和汽化时的焓变； Tc、Tf、Tb 分别表示再结晶、熔化和汽化温度。 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 4、有化学变化过程中的应用 个反应在恒温或恒压下过程的热焓变化,可从产物(末态)和反应物(初始态)的 热焓之差来计算: AH=thprod-2i (1-18) reaci 引入热容可得 △Hn=△Hn+△C,dT (1-19) 此式即为基尔霍夫公式,式中 CP=2O P react (1-20) 下标prod和 react分别表示生成物和反应物。 以上各式中的项,包含了反应的化学计量数
4、有化学变化过程中的应用 一个反应在恒温或恒压下过程的热焓变化，可从产物（末态）和反应物（初始态）的 热焓之差来计算： HT = H prod. − Hreact （1-18） 引入热容可得 = + T T HT HT CP dT 0 0 （1-19） 此式即为基尔霍夫公式，式中 CP = CP, prod. −CP,react. （1-20） 下标 prod 和 react 分别表示生成物和反应物。 以上各式中的项，包含了反应的化学计量数， 第一章 冶金热力学
第一章冶金热力学 对反应 aA+Dd=qQ+rR A、b、q、r分别表示反应中反应物和反应产物的化学计量数,消耗a摩尔的物质A, 必然同时消耗d摩尔的物质D,生成q摩尔的Q和r摩尔的R。以H表示摩尔焓,则(式 1-1)中 ∑H prod Ho+rHR (1-21) ∑H=aH,+dH rect (1-22) 相应地,(式1-20)中 ∑C P react aC,+do PA P D (1-23) ∑ CP prod P,o t P.R (1-24)
对反应 aA+Dd=qQ+rR A、b、q、r 分别表示反应中反应物和反应产物的化学计量数，消耗 a 摩尔的物质 A， 必然同时消耗 d 摩尔的物质 D，生成 q 摩尔的 Q 和 r 摩尔的 R。以 H 表示摩尔焓，则（式 1-18）中 prod Q R H = qH + rH （1-21） Hrezct = aHA + dHD （1-22） 相应地，（式 1-20）中 CP,react = aCP,A + dCP,D （1-23） P prod P Q P R C , = qC , + rC , （1-24） 第一章 冶金热力学