Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы литейного производства. Учебное пособие.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
————————————
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
Е. А. Шибеев, И. В. Зюзько, Г. С. Гарибян
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Учебное текстовое электронное издание
локального распространения
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Омского государственного технического университета
Омск
Издательство ОмГТУ
2021
—————————————————––––———————————————
Сведения об издании: 1, 2
ISBN 978-5-8149-3297-6
© ОмГТУ, 2021
1
УДК 621.74(075)
ББК 34.61я73
Ш55
Рецензенты:
В. С. Шипицин, директор ООО «Литейно-механический завод»;
Р. Г. Минненханов, директор ООО «Литейное производство»
Шибеев, Е. А. Физико-химические основы литейного производства : учеб. пособие / Е. А. Шибеев, И. В. Зюзько, Г. С. Гарибян ; Минобрнауки России, Ом. гос.
техн. ун-т. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2021. – 1 CD-ROM (1,38 Мб). – Систем. требования: процессор с частотой 1,3 ГГц и выше ; 256 Мб RAM и более ; свободное место на
жестком диске 300 Мб и более ; Windows XP и выше ; разрешение экрана 1024×768
и выше ; CD/DVD-ROM дисковод ; Adobe Acrobat Reader 5.0 и выше. – Загл. с титул.
экрана. – ISBN 978-5-8149-3297-6.
В пособии изложены физико-химические основы процессов, протекающих в литейной форме при ее изготовлении, в металлических расплавах при плавке металлов
и взаимодействии металла с формой. Описаны методы расчета равновесных систем
при физико-химическом взаимодействии друг с другом.
Предназначено для обучающихся по направлению 15.03.01 «Машиностроение»
(профиль «Машины и технология литейного производства»).
Редактор А. Ю. Леонтьева
Компьютерная верстка Л. Ю. Бутаковой
Для дизайна этикетки использованы материалы
из открытых интернет-источников
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Сводный темплан 2021 г. © ОмГТУ, 2021
Подписано к использованию 13.10.21.
Объем 1,38 Мб.
2
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Условные обозначения
Г – коэффициент адсорбции Гиббса
К – количество компонентов в системе; координационное число; кон-
станта (равновесия, скорости и т. п.)
Р – растворимость
С – число термодинамических степеней свободы
Ф – число фаз
A – работа
a – термодинамическая активность
C – теплоемкость
c – концентрация
D – коэффициент диффузии
E – энергия в общем виде
F – свободная энергия (энергия Гельмгольца)
f – летучесть; число независимых внешних параметров
G – свободная энтальпия
H – энтальпия
L – коэффициент распределения; глубина прогрева
P – давление
Q – тепловая энергия
r – радиус частицы
S – энтропия
T – температура
U – внутренняя энергия
u – скорость перемещения жидкости
V – объем
W – состояние системы; влажность
γ – коэффициент активности
ε – диэлектрическая проницаемость вещества; усадка
3
η – вязкость
θ – доля занятой поверхности; угол смачивания
λ – коэффициент теплопроводности
μ – химический потенциал
ν – стехиометрический коэффициент химической реакции
ρ – плотность среды; удельная энергия
Σ – поверхность системы
σ – прочность; поверхностное натяжение; среднее квадратическое от-
клонение
τ – время
υ – скорость
φ – потенциал
Основные физические постоянные
k – постоянная Больцмана (1,380·10
Na – число Авогадро (6,022·1023 моль–1)
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К))
T – температура абсолютного нуля (–273,15 °С)
–23
Дж/К)
4
ВВЕДЕНИЕ
Физическая химия изучает процессы изменения состава и свойств
материальных систем в зависимости от физических условий, при которых
они протекают. Это обширная область знаний о строении веществ, их из-
менении и взаимодействии между собой. Для изучения этих сложных вопросов используют квантовую механику, химическую термодинамику,
статическую механику и довольно сложный математический аппарат.
В данной работе рассмотрен лишь небольшой круг вопросов в области физической химии, непосредственно связанных с рядом сложных литейных процессов.
Во-первых, это процессы формирования прочности литейных форм, изготовляемых уплотнением песчано-глинистых смесей на автоматических
линиях; во-вторых, процессы устранения пригара формовочных и стержневых смесей на отливках; в-третьих, процессы, происходящие в смесях, твердеющих на нагретых модельных плитах и горячих стержневых ящиках, и др.
Эти смеси при приготовлении и изготовлении из них форм и стержней, взаимодействующих с расплавом после заливки, представляют собой
сложные материальные системы, в которых происходят процессы изменения состава и свойств входящих в них веществ. Результаты (т. е. свойства
смесей, форм и отливок) будут различными в зависимости от условий, при
которых они получены в данном варианте технологии.
Целью изучения дисциплины «Физико-химические основы литейного
производства» является усвоение студентами основных теоретических закономерностей и методов практических расчётов при описании и исследовании физико-химических процессов, протекающих при плавке литейных сплавов, изготовлении литейной формы, взаимодействии расплава
и формы.
Основные задачи дисциплины:
– изучение физико-химических процессов, протекающих в системе
металл – форма;
– изучение термодинамических функций состояния материалов, используемых в литейном производстве.
5
1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Термодинамика – наука о законах теплового движения, его превраще-
ниях в другие виды движения. Она призвана изучать направления и преде-
лы течения термодинамических процессов и позволяет установить взаимо-
связь между основными величинами, характеризующими равновесие систем на основе законов термодинамики.
Химическая термодинамика – наука об изменениях и переходах энер-
гии. Она изучает термодинамические свойства существующих веществ, зависящие от их состава, строения и происхождения. Под этими факторами
можно понимать фазовые переходы, поверхностные явления, различные
виды химических реакций и т. д.
Физическая химия – наука, изучающая химические явления, их зако-
номерности, взаимосвязи с физическими законами. Развитие получила
в конце 19 века в связи с подъемом промышленности.
Термодинамическая система – объект окружающей среды, находя-
щийся в естественных либо условных (воображаемых) границах; совокупность большого количества материальных частиц. Все, что находится за ее
пределами, является внешней средой. Термодинамическая система в ряде
случаев может взаимодействовать с окружающей средой посредством обмена энергией и материей.
Энергия – общее понятие, определяющее различные виды движения,
а также взаимосвязь разных термодинамических систем. В связи с многообразием как физических, так и термодинамических процессов, она может
быть гравитационной, механической, электромагнитной, тепловой и т. д.
В зависимости от характера обмена энергией и материей с окружающей средой термодинамические системы подразделяют на закрытые (изолированные) и открытые.
6
Закрытая система не может обмениваться энергией и материей с ок-
ружающим пространством, а открытая – может.
Также выделяют гомогенные и гетерогенные термодинамические си-
стемы.
Гомогенная система не имеет поверхности раздела и состоит из одно-
родных тел (например, смесь песка и воды). Гетерогенная система – си-
стема, у которой присутствует поверхность раздела (например, различные
литейные сплавы).
Фаза – гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от дру-
гих ее частей реально существующей поверхностью раздела.
Компоненты – вещества, обладающие индивидуальными химиче-
скими свойствами.
Термодинамические параметры – термодинамические признаки, ко-
торые характеризуют систему в окружающей среде. Совокупное движение
и распределение в пространстве входящих в систему объектов определяют
внутренние параметры данной термодинамической системы.
Состояние термодинамической системы можно определить как сово-
купность термодинамических параметров. Стационарным называют такое
состояние системы, при котором с течением времени термодинамические
параметры остаются неизменными, а нестационарным – такое состояние,
при котором система изменяется со временем.
1.2. ПОСТУЛАТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Всякое превращение, происходящее в системе и связанное с измене-
нием хотя бы одного из термодинамических параметров состояния, называют термодинамическим процессом.
В термодинамике существуют следующие постулаты:
1. Изолированная система с течением времени всегда переходит в со-
стояние равновесия и самопроизвольно выйти из него не может.
2. Если система находится в равновесии, все ее внутренние парамет-
ры являются функциями внешних параметров и температуры.
7
Термодинамический процесс, при котором система проходит через
непрерывный ряд равновесных состояний, называют равновесным процес-
сом. Он является бесконечно медленным.
Если система возвращается в исходное состояние при протекании
процесса без изменения внешних параметров, то процесс называется об-
ратимым.
1.3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики: при переходе системы из состояния 1
в состояние 2 получаемые в результате этого работа, энергия или их сум-
ма зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от формы перехода из состояния 1 в состояние 2 (прил. 1).
δQ = dU + δA.
Основное внутреннее состояние системы характеризуется внутренней энергией, но возможно определить только её изменение, а не количество. Любая система характеризуется следующими термодинамическими
параметрами: V, P, T.
Рассмотрим приложение первого закона термодинамики к различным
процессам.
1. Изохорный процесс (V = const).
δQ
= dU + pdV при dV = 0 → dQV = dUV; Q = CVΔT; dUV = CVdT.
V
2. Изобарный процесс (P = const).
dQ
= dUP + pdV.
P
Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния.
dH
= dUP + pdV.
P
8
3. Изотермический процесс (T = const).
0
V
U
0
P
H
0
V
U
dQ
= pdV.
T
Теплоемкость изотермического процесса СТ = ±∞.
4. Адиабатный процесс (Q = const).
dQ = 0 → dU = –pdV.
Теплоемкость адиабатного процесса C
5. Политропный процесс – это процесс, когда все параметры системы
изменяются.
δQ
= dUn + p
n
ndVn
.
Теплоемкость политропного процесса C
1.4. ВЫЧИСЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
И ЭНТАЛЬПИИ ВЕЩЕСТВА
Если условия термодинамической системы стандартны (Т = 298,2 К
и Р = 1 атм.) (прил. 2), тогда
dU
= CVdT;
V
= 0.
Q
= const.
n
dH
= CPdT;
P
U
H
V
P
=
=
+ CV∫dT;
+ CP∫dT.
При отсутствии фазовых переходов делаются допущения:
1. CV, CP ≠ f(Т)
2. CV и CP= const на участке [T1, T2].
Тогда
U
V
=
+ ∑C
9
Vi (Ti
– T
i–1
);
H
0
P
H
0
T
U
0
298,2
U
0
пр
U
0
пл
U
0
T
Н
0
298,2
Н
0
пр
Н
P
=
+ ∑C
где i – количество участков измерения.
3. Теплоемкость изменяется во всем диапазоне температур.
Pi (Ti
– T
i–1
),
C = а0 + b0T + c
T
0
2
+ …,
где a0, b0, c0 – справочные величины (равны f(T)).
Внутренняя энергия и энтальпия вещества выражены в следующих
формулах:
=
+ ∫ΔCV1dT + Δ
=
+ ∫ΔCP1dT + Δ
+ ∫ΔCV2dT + Δ
+ ∫ΔCР2dT + … .
+ ∫ΔCV3dT + …,
Из энтальпии можно вывести правило Гесса: тепловой эффект химической реакции, протекающей при P, V = const, не зависит от промежу-
точных реакций, а определяется только начальным и конечным состоянием вещества.
aA + bB ↔ cC + dD;
ΔH = CРΔT;
∂H⁄∂T = aCPA + bCPB – cCPC – dCPD.
По закону (правилу) Кирхгофа энтальпию любого процесса можно
рассчитать, зная энтальпию при стандартных условиях и изменение
удельной теплоемкости вещества от температуры.
H
= H0 + ∫CPidT.
Т
Пример 1.1. Рассчитайте работу изотермического расширения 1 моля
азота от 0 до 20 °С. Каково будет конечное давление, если начальное равно 3,039·105 Па?
10