Файл: Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов.pdf

Ч А С Т Ь В Т О Р А Я

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА X

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ о с н о в ы МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1. ЭНТАЛЬПИЯ И ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ

Для удобства и простоты рассмотрения химических реакций, на­ пример реакций восстановления металла из окисла

MeО + В = ВО + Me,

где MeО — окисел металла Ме\ ВО — окисел восстановителя В. Исходные и конечные вещества этих реакций мы мысленно изо­

лируем от окружающей среды в некоторую самостоятельную систему. Поскольку нас прежде всего интересуют энергетические эффекты, которыми сопровождаются химические реакции, то подобная система является термодинамической.

Общая энергия термодинамической системы Я, называемая эн­ тальпией, равна сумме внутренней энергии (U) и энергии, необ­

Абсолютную величину внутренней энергии системы в настоящее время определить не представляется возможным. Однако при изуче­ нии химических процессов достаточно знать изменение внутренней и общей энергии.

Химические реакции в металлургических агрегатах проходят, как правило, при постоянном давлении. Тогда изменение энтальпии в системе при протекании в ней химической реакции окажется рав­ ным

АЯ = # 2 — Н г = U2 — U1 Jr p (V2 — = AU + р AV,

(Х-2)

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному (до реакции) - и конечному (после реакции) состоянию системы.

Величина ДЯ количественно характеризует изменение энерге­ тического состояния системы и может быть как положительной, когда к системе для протекания химического процесса подводится

116

энергия (в металлургических агрегатах, как правило, в виде тепла), так и отрицательной, когда тепло выделяется в самой системе.

В термохимии, одном из разделов химии, энергетические эффекты реакций оцениваются тепловым эффектом Q, численно равным из­ менению энтальпии, но с противоположным знаком:

Поэтому тепловой эффект реакции, идущей с выделением тепла, является положительным, с поглощением тепла — отрицательным. В дабл. 9 приведены значения тепловых эффектов некоторых реак­ ций при температуре, равной 25°С (298 К) и давлении 1,01-105 Н/м2 (1 ат). Значения АН и Q при этих условиях называются стандартными.

При определении теплового эффекта сложных реакций исполь­ зуют закон Гесса, выведенного им опытным путем: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.

2. ИЗМЕНЕНИЕ ИЗОБАРНО-ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

Изменение энтальпии или противоположного по знаку тепло­ вого эффекта реакции позволяет составить энергетические балансы химических процессов. Однако в этом случае не предоставляется возможности оценить направление, в котором могут идти химические реакции.

Металлургические процессы в большинстве случаев протекают при определенной температуре и постоянном давлении и могут рассматриваться поэтому как изобарно-изотермические. Для оценки направления изобарно-изотермических процессов используют изме­ нение изобарно-изотермического потенциала, равного изменению энтальпии за вычетом Т AS:

Т — абсолютная температура, К.

Индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному и конеч­ ному состоянию системы.

Энтропия характеризует рассеяние, обесценивание энергии, заключающееся в переходе всех видов энергии в тепловую и рав­ номерном распределении ее между всеми веществами системы.

Изменение изобарно-изотермического потенциала при реакции

цах. Например, необходимо найти значение AZT реакции

С + С 02 = 2СО.

Изменение изобарно-изотермического потенциала обозначают также буквами AG.

117

Изменение энтальпии и энтропии реакции будет равно разности между значениями этих величин для конечных и начальных про­ дуктов реакции:

Д# 2 9 8 = 2Д#со — АНс — Д#со2== 394 100 — 2-110 600 = = 172900 Дж/моль (94052 — 2-26 400 = 41252 кал/моль);

Д5298 = 25со - Sc — Sco2= 2 • 198,2 — 5,70 - 214,0 =

= 171,0 Дж/моль (2-47,30— 1,36 — 51,08 = 42,16 кал/моль).

Тогда

AZm = АНш — TASl98 = 172 900 — 171, ОТ Дж/моль =

= 172,9 —■0,1717’ кДж/моль (41252 — 42,16 7 кал/моль).

120