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0 绪论1

第1篇 冶金热力学3

1 气体3

1.1 理想气体状态方程式3

1.1.1 气体分子运动论3

1.1.2 气体实验定律4

1.1.3 理想气体状态方程5

1.2 理想混合气体的分压定律6

1.2.1 分压定律6

1.2.2 分体积定律7

1.3 真实气体——范德华方程8

1.3.1 真实气体的p、V、T行为8

1.3.2 范德华方程9

习题10

2 化学反应热量计算12

2.1 热力学研究的对象和目的12

2.2 热力学基本概念13

2.2.1 体系与环境13

2.2.2 体系的性质、状态和状态函数13

2.2.3 过程和途径14

2.2.4 热和功15

2.3 热力学第一定律及其应用16

2.3.1 第一定律的表述16

2.3.2 热力学能16

2.3.3 第一定律的数学表达式17

2.3.4 恒容热、恒压热及焓17

2.3.5 热容19

2.3.6 可逆过程与膨胀功21

2.3.7 热力学第一定律的应用23

2.4 热效应与盖斯定律25

2.4.1 化学反应的计量方程和反应进度25

2.4.2 化学反应热效应25

2.4.3 盖斯定律26

2.5 生成热与燃烧热28

2.5.1 生成热28

2.5.2 燃烧热28

2.5.3 溶解热29

2.6 化学反应热效应与温度的关系30

2.6.1 基尔戈夫定律30

2.6.2 应用基尔戈夫公式时需注意的问题31

习题32

3 化学反应进行的方向和判据34

3.1 自发过程及热力学第二定律34

3.1.1 自发过程的方向与限度34

3.1.2 热力学第二定律35

3.2 自发过程的判断依据36

3.2.1 卡诺循环36

3.2.2 熵及其导出37

3.2.3 不可逆过程的热温商39

3.2.4 孤立体系中自发过程的方向和限度41

3.3 熵变的计算41

3.3.1 简单的状态变化过程42

3.3.2 p、V、T都改变的过程43

3.3.3 相变化的熵变44

3.3.4 化学反应的熵变45

3.4 熵的统计意义45

3.5 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能47

3.5.1 亥姆霍兹自由能（A）47

3.5.2 吉布斯自由能（G）48

3.5.3 吉布斯自由能变化与亥姆霍兹自由能变化计算49

3.6 热力学函数间的关系及克劳修斯-克莱贝龙方程51

3.6.1 基本关系式51

3.6.2 克劳修斯-克莱贝龙方程式52

习题55

4 化学平衡56

4.1 化学反应的方向和限度56

4.1.1 化学反应的限度56

4.1.2 质量作用定律57

4.1.3 平衡常数的其他表示式58

4.2 多相反应的平衡常数60

4.2.1 化学反应等温方程式60

4.2.2 多相反应的平衡常数、分解压61

4.3 温度对平衡常数的影响62

4.3.1 等压方程式——平衡常数与温度的关系62

4.3.2 等压方程式的积分式62

4.3.3 标准生成吉布斯自由能63

4.3.4 热力学第三定律64

4.3.5 绝对熵64

4.3.6 熵法求△G？、平衡常数K65

4.4 化合物的热分解66

4.4.1 分解压的热力学意义66

4.4.2 分解压的影响因素67

4.4.3 氧化物的分解68

4.5 标准生成吉布斯自由能与温度关系图71

4.5.1 氧化物的氧势71

4.5.2 氧势图71

4.5.3 氧势图的应用73

4.6 冶金过程燃烧反应74

4.6.1 C、CO、H2与O2的反应75

4.6.2 水煤气反应76

4.6.3 固体碳的气化反应76

4.6.4 固体碳和水蒸气的反应78

4.7 气体还原剂还原氧化铁的反应78

4.7.1 氧化物的还原热力学条件78

4.7.2 CO和H2还原氧化物的热力学79

4.7.3 CO还原氧化铁的反应81

4.7.4 H2还原氧化铁的反应82

4.8 固体碳还原氧化物的还原反应83

4.8.1 固体碳直接还原氧化物的热力学83

4.8.2 固体碳直接还原氧化铁的反应84

习题86

5 溶液87

5.1 溶液浓度的表示方法及其换算87

5.1.1 溶液的概念87

5.1.2 溶液浓度的表示方法及其相互转换关系式88

5.2 偏摩尔量89

5.2.1 偏摩尔量的定义90

5.2.2 偏摩尔量的集合公式90

5.3 化学势91

5.3.1 化学势91

5.3.2 化学势在多相平衡中的应用92

5.3.3 化学势在化学平衡中的应用93

5.3.4 理想气体的化学势93

5.4 溶液的饱和蒸气压94

5.4.1 纯物质的饱和蒸气压94

5.4.2 拉乌尔定律94

5.4.3 亨利定律96

5.4.4 稀溶液各组元的化学势97

5.5 稀溶液的依数性98

5.5.1 沸点的升高98

5.5.2 凝固点的下降99

5.6 分配定律101

5.6.1 分配定律101

5.6.2 萃取103

5.7 理想液态混合物104

5.7.1 理想液态混合物的定义104

5.7.2 形成理想液态混合物时热力学性质的变化105

5.8 活度和标准状态106

5.8.1 实际溶液对理想液态混合物的偏差106

5.8.2 活度108

5.8.3 活度的标准状态109

5.8.4 活度标准状态的选择与转换112

习题113

6 相平衡115

6.1 引言115

6.1.1 基本概念115

6.1.2 相律公式117

6.2 单元系相图118

6.3 生成简单共晶的二元系119

6.3.1 热分析法绘制相图119

6.3.2 Cd-Bi系相图121

6.3.3 杠杆规则122

6.4 生成化合物的二元系123

6.4.1 生成稳定化合物的二元系123

6.4.2 生成不稳定化合物的二元系124

6.5 有固溶体生成的固-液系统125

6.5.1 固态部分互溶的二元系125

6.5.2 固态完全互溶的二元系126

6.6 液态部分互溶的二元系128

6.7 钢铁冶金的主要二元渣系相图129

6.7.1 CaO-SiO2系相图129

6.7.2 Al2O3-SiO2系相图131

6.7.3 CaO-Al2O3系相图131

6.8 三元系相图的组成表示法132

6.8.1 等含量规则132

6.8.2 定比例规则132

6.8.3 直线规则133

6.8.4 重心规则133

6.9 三元系相图的几种基本类型133

6.9.1 简单共晶体三元系相图133

6.9.2 具有稳定二元化合物的三元系相图135

6.9.3 具有一个三元稳定化合物的三元系相图136

习题136

第2篇 冶金反应动力学139

7 冶金反应过程的动力学139

7.1 反应速率及测定方法139

7.1.1 化学反应速率的表示方法139

7.1.2 反应速率的实验测定方法140

7.2 反应速率与浓度的关系140

7.2.1 基元反应140

7.2.2 质量作用定律141

7.2.3 反应级数141

7.2.4 一级反应141

7.2.5 二级反应143

7.2.6 零级反应143

7.3 反应级数的测定144

7.3.1 积分法144

7.3.2 作图法144

7.3.3 半衰期法144

7.3.4 微分法145

7.3.5 反应速率与温度的关系145

7.4 物质移动的速率147

7.4.1 多相反应的基本步骤147

7.4.2 吸附化学反应的速率147

7.4.3 物质移动速率148

7.5 液-液相反应和气-固相反应的动力学模型151

7.5.1 液-液相反应的动力学模型——双膜理论152

7.5.2 气-固相反应的动力学模型154

7.5.3 速率限制环节的确定155

7.6 炼钢过程中的脱硫反应156

7.6.1 硫在渣、钢中的存在形式156

7.6.2 硫对钢质量的影响156

7.6.3 脱硫反应156

7.6.4 脱硫反应的传质动力学158

7.7 氧化物的直接还原的动力学159

7.7.1 固体氧化物直接还原反应机理159

7.7.2 固体氧化物直接还原的速率式160

7.7.3 熔渣中氧化物的直接还原161

7.8 炼钢过程中锰、硅、磷反应的动力学161

7.8.1 元素反应的速率式161

7.8.2 锰的氧化162

7.8.3 硅的氧化163

7.8.4 磷的氧化164

7.9 脱氧反应及其动力学164

7.9.1 氧对钢质量的影响164

7.9.2 脱氧的原理和分类165

7.9.3 元素的脱氧能力166

7.9.4 常用脱氧剂的特性166

7.9.5 钢液脱氧过程的动力学169

7.10 钢液脱碳反应的动力学172

7.10.1 脱碳反应动力学分析172

7.10.2 脱碳速率方程172

7.10.3 CO气泡新相产生条件、长大及排除173

习题175

第3篇 金属熔体177

8 金属熔体及炉渣的物理化学性质177

8.1 金属熔体的结构177

8.1.1 离子晶体178

8.1.2 原子晶体178

8.1.3 分子晶体178

8.1.4 金属晶体178

8.1.5 金属熔体的结构179

8.1.6 金属熔体的结构模型179

8.2 液体铁合金的物理性质180

8.2.1 密度180

8.2.2 黏度181

8.2.3 表面张力183

8.3 炉渣的来源、成分及其作用186

8.3.1 炉渣的来源和成分186

8.3.2 炉渣在冶金过程中的作用187

8.4 炉渣的结构187

8.4.1 分子理论187

8.4.2 离子理论189

8.5 炉渣的碱度及氧化性193

8.5.1 炉渣的碱度193

8.5.2 炉渣的氧化性194

8.6 炉渣的热力学性质——三元渣系组元的活度196

8.6.1 CaO-SiO2-Al2O3渣系的活度196

8.6.2 CaO-SiO2-FeO渣系的活度197

8.7 炉渣的黏度及熔化性199

8.7.1 炉渣的黏度199

8.7.2 炉渣的熔化性200

8.8 炉渣的表面性质及导电性201

8.8.1 表面性质201

8.8.2 炉渣的导电性203

习题205

9 氧化熔炼反应206

9.1 钢液中元素氧化精炼的热力学条件206

9.1.1 氧化反应的类型206

9.1.2 铁液中元素氧化的氧势图207

9.1.3 元素氧化的热力学条件209

9.2 钢液中锰及硅的氧化反应210

9.2.1 硅的氧化反应210

9.2.2 锰的氧化反应210

9.3 钢液的脱磷211

9.3.1 脱磷的热力学分析212

9.3.2 钢液的还原法脱磷214

9.4 钢液的脱碳215

9.4.1 脱碳反应的热力学分析215

9.4.2 碳氧乘积m216

9.4.3 碳氧化的热效应217

习题218

附表1 各种能量单位之间的关系220

附表2 某些物质的基本热力学数据220

附表3 一些物质的熔点、熔化热、沸点、蒸发热、转变点、转变热226

附表4 某些反应的标准吉布斯自由能变化△GΘ＝A＋BT227

附表5 元素的相对原子质量表231

参考文献233