Физико-химические основы литейного производства

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра оборудование и технология сварочного и литейного производства

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания

по выполнению контрольно-курсовой работы

для студентов

направления: 150200 “Машиностроительные технологии и оборудование”

специальности: 150204 “Машины и технология литейного производства“

очной формы обучения

Тула 2005 г.

Разработал:

кандидат технических наук, доцент

ВВЕДЕНИЕ

Большинство физико-химических процессов и реакций в литейном производстве осуществляется при постоянном давлении (~0,1МН/м2). Направление процесса (реакции) при заданной температуре определяется знаком изменения энергии Гиббса этого процесса. При отрицательном значении процесс протекает в сторону образования конечных веществ, при положительном значении - в сторону образования исходных веществ. При нулевом значении изменения энергии Гиббса (=0) достигается динамическое равновесие процесса, т. е. процесс (реакция) идет одновременно в двух противоположных направлениях с одинаковой скоростью.

Полнота протекания процесса (реакции) в изобарно изотермических условиях, т. е. при р=const и Т=const. Определяется нахождением мольных долей конечных веществ из уравнения, составленного на основании торжества рассчитанного значения константы равновесия Кр и значений константы равновесия КN, выраженной через отношения мольных долей конечных веществ к мольным далям исходных веществ (мольные доли веществ подставляются в выражение КN в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентным этих веществ в реакции).

Методическое пособие по ККР составлено на примере гетерогенной реакции Mg+H2O=MgO+H2 при 1000 К.

1.  ВЫБОР ИСХОДНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ ВЕЩЕСТВ РЕАКЦИИ

Выбор исходных теплофизических данных для исходных и конечных веществ реакции производится по справочникам [1, 2, 3] с переводом кал в Дж (1 кал=4,184 Дж).

Для гетерогенной реакции Mg+H2O=MgO+H2 (1) исходные теплофизические данные для исходных и конечных веществ занесены в табл.1.

Таблица 1

Исходные теплофизические данные для веществ реакции Mg+H2O=MgO+H2

Вещество	, Дж/ моль	, Дж/ (моль)	Тпр, К	, Дж/ моль	Тпл, К	, Дж/ моль	Ткип, К	, Дж/ моль
Mg	0	32,5	-	-	923	8493,5	1378	127612
H2O	-285830	69,9	-	-	273	6009	373	41087
MgO	-601241	27,4	-	-	3098	77404	(3533)	474466
H2	0	130,6	-	-	14	57,6	20,6	447

Выбираем [1, 2] уравнения мольной изобарной теплоемкости исходных и конечных веществ реакции в температурном интервале от 298 К до заданной температуры. Эти уравнения необходимы для определения и веществ при заданной температуре Т.

Для реакции Mg+H2O=MgO+H2 при 1000 К эти уравнения следующие:

, Дж/(моль. К) [293-923плК];

, Дж/(моль. К) [923-1130 К];

, Дж/(моль. К) [273-373 К];

, Дж/(моль. К) [298-2500К] ;

, Дж/(моль. К) [298-3098плК];

, Дж/(моль. К) [298-3000К].

2.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Для определения реакции при заданной температуре Т вначале необходимо по выбранным значениям , уравнениям теплоемкости , , рассчитать для этой же температуры Т.

Применительно к уравнению (1):

Дж/моль;

Дж/моль.

Дж/моль.

Дж/моль.

Изменение энтальпии реакции при заданной температуре Т определяют по уравнению:

, (2)

где - алгебраическая сумма энтальпии конечных веществ в реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/моль;

- алгебраическая сумма энтальпии исходных веществ реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/моль.

Для (1) изменение энтальпии реакции при 1000 К будет равно:

Дж/моль.

Дж/моль.

3.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Так же, как и для определения реакции, вначале по выбранным значениям , уравнениям теплоемкости, , , необходимо рассчитать энтропию каждого вещества реакции для заданной температуры.

Применительно к (1):

(Дж/моль*К);

Дж/(моль*К);

Дж/(моль. К).

Изменение энтропии реакции при заданной температуре Т определяют по уравнению:

, (3)

где - алгебраическая сумма энтропии конечных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/(моль. К);

- алгебраическая сумма энтропии исходных веществ реакции с учетом стехиометрических коэффициентов у этих веществ, Дж/(моль. К).

Для (1) изменение энтропии реакции при 1000 К равна:

Дж/(моль. К).

Дж/(моль. К).

4.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИЙ ГИББСА РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Изменение энергии Гиббса реакции при заданной температуре Т определяют по следующему уравнению:

, (4)

где - изменение энтальпии реакции при заданной температуре Т, Дж/моль;

- изменение энтропии реакции при заданной температуре Т, Дж/(моль. К).

Для (1) изменение энергии Гиббса реакции при 1000 К равна:

Дж/(моль. К).

Отрицательное значение изменения энергии Гиббса показывает, что реакция идет слева направо, т. е. в сторону образования конечных продуктов MgOтв и Н2r.

5.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Константа равновесия любой реакции или любого процесса определяется из следующего выражения:

,

, (5)

где Кр – константы равновесия реакции при постоянном давлении р и заданной температуре Т оС при Кр>1 реакция идет слева направо; при Кр<1 реакция идет справа налево; при К=1 в реакции устанавливается динамическое равновесие);

- изменение энергии Гиббса реакции при заданной температуре Т, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, (дж/моль. К), R=8,314 Дж/(моль. К); Т – абсолютная температура реакции, К; е – основание натуральных логарифмов, е=2,718.

Для (1) константа равновесия Кр равна:

.

Вычисленное значение показывает, что реакция при 1000 К идет слева направо, т. е. в сторону образования MgOтв и Н2г.

6.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОТЫ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Полнота протекания реакции вида Аж+Вг=Дтв+Ег (выход продуктов реакции) при заданной температуре Т в изобарных условиях определяется по следующему уравнению

, (6)

где - мольная доля конечного вещества Е в газообразном состоянии;

- мольная доля исходного вещества В в газообразном состоянии) после подставки в него вместо КN вычисленного значения Кр, т. е. . Мольные доли газовых фаз в уравнение (6) подставляются из предварительно заполненной таблицы для заданной реакции.

Применительно к (1) это табл.2.

Таблица 2

Вещества (компоненты), моли
Было до реакции	1	1	-	-
Ушло в реакцию	х	х	-	-
В реакции при 1000 К	1-х	1-х	х	х
Общее число молей газа в реакции при 1000 К
Мольные доли газов в реакции при 1000 К		1-х	х

;

;

;

;

;

.

Таким образом, выход продуктов реакции при 1000 К следующий:

; , т. е. реакция прошла практически полностью (; ).

7.  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение на основании выполненных расчетов , и мольных долей веществ заданной реакции при определенной температуре Т необходимо сделать выводы о направлении и полноте протекания этой реакции.

Применительно к реакции Mg+Н2О=MgO+H2 при 1000 К эти выводы следующие: так как Дж/моль и , то реакция идет слева направо, в сторону образования конечных продуктов. Рассчитанный выход продуктов реакции Н2=х=1 и MgOтв=х=1 свидетельствует о том, что эта реакция прошла практически полностью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  , Гуляницкий превращения металлургических реакций. М.: Металлургия, 1975. – 416 с.

2.  Олкокк термохимия. – М.: Металлургия, 1982. – 392 с.

3.  Свойства элементов. Справочник/ , , и др. – М.: Металлургия, 1985. – 672 с.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ПО ККР

Определение направления и полноты протекания физико-химической реакции……………….. при температуре…………………….

№ вари-анта	Физико-химическая реакция	Температура реакции, К
1		1150
2		1850
3		1000
4		1000
5		1000
6		1400
7		1815
8		1820
9		1850
10		750
11		1850
12		1825

Рассмотрено на заседании кафедры Нормоконтролер, ответственный

протокол № 1 от 30 августа 2005 г. по стандартизации на кафедре

Зав. кафедрой ____________ ______________