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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K 65

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m 216

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＋BT 227

附表5 元素的相对原子质量表 231

参考文献 233