Термодинамические принципы металлургии

Физическая химия — это раздел физики и химии, объединяющий две дисциплины. На этом концепция термодинамики подходит к концу. Термодинамика — это раздел физики, изучающий связь между тепловой энергией, такой как теплота, и другими видами энергии. Изучение переноса энергии, происходящего при химических и физических превращениях, известно как термодинамика. Это также позволяет нам прогнозировать и отслеживать эти сдвиги.

Термодинамика в металлургии

Когда дело доходит до металлургии, свободная энергия Гиббса является наиболее важным термодинамическим понятием для понимания. Свободная энергия Гиббса определяет, будет ли процесс происходить самопроизвольно или нет в термодинамике. Буква ΔG. Если значение ΔG отрицательно, реакция будет происходить сама по себе. Чтобы получить ΔG, мы рассмотрим два уравнения.

ΔG = ΔH – TΔS

Изменение энтальпии обозначается ΔH. Эндотермическая реакция будет представлена положительным значением, а экзотермическая реакция будет представлена отрицательным значением. В результате, когда реакция экзотермическая, ΔG отрицательна. Энтропия, или непредсказуемость молекул, обозначается буквой ΔS. Когда состояние материи меняется, это меняется кардинально. Другое уравнение, связывающее свободную энергию Гиббса и константу равновесия:

ΔG° = RTlnK _экв .

Константа равновесия равна K _экв . Активная масса продуктов делится на активную массу реагентов, чтобы получить эту цифру. Универсальным газовым компонентом является R. Теперь равновесное значение должно поддерживаться положительным, чтобы получить отрицательное значение ΔG (что желательно).

Диаграмма Эллингема

Диаграмма Эллингема изображает взаимосвязь между температурой и стабильностью соединения. Это графическая иллюстрация потока энергии Гиббса. Диаграмма Эллингема используется в металлургии для построения уравнений процесса восстановления. Это помогает нам определить наилучший восстановитель для восстановления оксидов с получением чистых металлов. Давайте взглянем на некоторые из наиболее важных особенностей диаграммы Эллингема.

1. На этом графике ΔG нанесен в зависимости от температуры. Энтропия представлена наклоном кривой, тогда как энтальпия представлена точкой пересечения.
2. Как вы знаете, ΔH (энтальпия) не зависит от температуры.
3. Температура не влияет на ΔS, то есть на энтропию. Однако есть условие, что никакого фазового сдвига не должно происходить.
4. Температура будет отложена по оси Y, а ΔG будет отложена по оси X.
5. Металлы с кривыми в нижней части диаграммы встречаются реже, чем металлы, расположенные выше.

Реакцию металла с воздухом можно резюмировать следующим образом:

М(т) + О ₂ (г) → МО(т)

Когда дело доходит до восстановления оксидов металлов, ΔH обычно всегда отрицательный (экзотермический). ΔS также отрицательно, потому что в ходе реакции мы переходим из газообразного состояния в твердое (как показано выше). В результате с повышением температуры увеличивается и значение T∆S, а также увеличивается наклон реакции.

Наблюдения из диаграммы Эллингема.

1. Наклон положительный для большей части производства оксидов металлов. Объяснить это можно следующим образом. На создание оксидов металлов расходуется газообразный кислород, что приводит к снижению непредсказуемости. В результате ΔS становится отрицательным, а член TΔS в уравнении прямой становится положительным.
2. Образование оксида углерода показано прямой линией с отрицательным наклоном. В этом сценарии ΔS положителен, потому что потребление одного моля газообразного кислорода приводит к образованию двух молей газообразного CO. Это означает, что CO становится более стабильным при более высоких температурах.
3. По мере повышения температуры значение ΔG для образования оксида металла становится менее отрицательным, пока в определенной точке не достигает нуля. Ниже этой температуры ΔG отрицательна, и оксид стабилен; выше этой температуры ΔG положителен и оксид нестабилен. Эта общая закономерность показывает, что по мере повышения температуры оксиды металлов становятся менее устойчивыми и легче разлагаются.
4. Некоторые оксиды металлов, такие как MgO и HgO, имеют резкое изменение наклона при определенной температуре. Это происходит из-за фазового сдвига (плавления или испарения).

Ограничения диаграммы Эллингема

1. Диаграммы Эллингема построены исключительно из термодинамических соображений. Он предоставляет информацию о термодинамической возможности реакции. Он не дает информации о скорости реакции. Кроме того, он не указывает на вероятность возникновения других реакций.
2. В нем также отсутствует исчерпывающая информация об оксидах и их образованиях. Допустим, есть вероятность более чем одного оксида. Этот сценарий не представлен на диаграмме.
3. Интерпретация ΔG основана на предположении, что реагенты и продукты находятся в равновесии, что не обязательно верно.

Использование диаграммы Эллингема

1. На графике кривая Эллингема ниже, чем у большинства других металлов, таких как железо. Это фактически предполагает, что все металлы выше этого на графике могут быть использованы в качестве восстановителя для их оксидов. Поскольку оксид алюминия более стабилен, его используют в термитном процессе для извлечения хрома.
2. Доменная печь используется для отделения железа от его оксида. В печи руда смешивается с коксом и известняком. Восстановление оксидов железа происходит при различных температурах. Температура в нижней части печи существенно выше, чем в верхней. Термодинамика использовалась для объяснения реакций, что привело к развитию этой техники.
3. Вверху диаграммы находится диаграмма Эллингема для образования Ag ₂ O и HgO с температурами пробоя 600 и 700 К соответственно. Это означает, что эти оксиды неустойчивы при низких температурах и разрушаются при нагревании, даже если в них нет восстановителя.
4. Диаграмма Эллингема используется для прогнозирования термодинамической возможности восстановления оксидов одного металла оксидами другого. Любой металл может уменьшать оксиды других металлов на рисунке выше. На рисунке Эллингема, например, образование оксида хрома выше образования алюминия, что указывает на то, что Al ₂ O ₃ более стабилен, чем Cr ₂ O ₃ . В результате алюминий можно использовать в качестве восстановителя для восстановления оксида хрома. Однако его нельзя использовать для уменьшения содержания оксидов магния и кальция, которые находятся в более низком положении, чем оксид алюминия.
5. Поскольку линия углерода пересекает линии многих оксидов металлов, она может уменьшить их все при достаточно высоких температурах. Рассмотрим термодинамически благоприятные условия для восстановления оксида железа углеродом. Около 1000 К диаграмма Эллингема для производства FeO и CO пересекается. Ниже этой температуры линия углерода находится выше линии железа, что указывает на то, что FeO более стабилен, чем CO, и поэтому восстановление не является термодинамически жизнеспособным в этом диапазоне температур. Однако выше 1000 К линия углерода находится ниже линии железа, что позволяет использовать кокс в качестве восстановителя. Последующий расчет свободной энергии подтверждает, что уменьшение является термодинамически выгодным.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Как металлургия используется для производства?

Отвечать:

In production engineering, metallurgy deals with the manufacturing of metallic components for use in technical or consumer products. Manufacturing, shape, heat treatment, and product surface treatment all fall under this category.

Вопрос 2: Что такое добывающая металлургия?

Отвечать:

Extractive metallurgy is the process of removing valuable metals from an ore and purifying the retrieved raw metals into a purer form. The ore must be reduced physically, chemically, or electrolytically to convert a metal oxide or sulphide to a purer metal. The three principal streams of interest to extractive metallurgists are feed, concentrate (metal oxide/sulphide), and tailings (waste).

Вопрос 3: Что такое металлургия?

Отвечать:

The physical and chemical properties of intermetallic compounds, metallic elements, and alloy mixes are studied in metallurgy, a branch of materials science and engineering. Metallurgy is the science and technology of metals, i.e. how science is used to metal manufacture and the engineering of metal components used in consumer and industrial products. Metallurgy is distinct from minecrafting as a skill. For technological advancement, metalworking is reliant on metallurgy, much as medicine is reliant on medical science.

Вопрос 4: Напишите заметку о металле и его сплавах.

Отвечать:

Aluminium, chromium, copper, iron, magnesium, nickel, titanium, zinc, and silicon are examples of engineering metals. These metals, with the exception of silicon, are the most typically used in alloys. Steels and cast irons are part of the iron-carbon alloy system, which has gotten a lot of attention. Plain carbon steels (those with almost all carbon as an alloying ingredient) are used in low-cost, high-strength applications where weight and corrosion aren’t an issue. Cast irons, such as ductile iron, are also part of the iron-carbon system. Iron-manganese-chromium alloys are used in non-magnetic applications such as directional drilling (Hadfield-type steels).

Вопрос 5: Каковы некоторые существенные исключения в диаграмме Эллингема?

Отвечать:

Following are some significant Exceptions in Ellingham Diagram:

• C(s) + O₂ (g) → CO₂ (g): Solids have a minimal entropy. As a result, one molecule of gas yields one molecule of gas. As a result, there is virtually little net entropy. As a result, there will be no slope and the surface will be perfectly horizontal.
• 2C (s)+ O₂ (g) → 2CO (g): One mole of gas yields two moles of gas as a result of this reaction. As a result, the entropy will be positive in this case. As a result, this curve will begin to decline.