Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы литейного производства. Учебное пособие.pdf
1. Что понимается под правилом фаз?
2. Что такое константа равновесия физико-химического процесса?
3. Где применяется закон Рауля?
4. Где применяется закон Дальтона?
5. Где применяется закон Генри?
6. Назовите термодинамические функции состояния физико-
химических систем.
7. Что такое термодинамическая активность?
8. Где применяется правило Ле Шателье?
9. Дайте определение коллоидного раствора.
10. Назовите виды коллоидных растворов.
11. Дайте определение поверхностного натяжения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
12. Дайте определение адгезии и когезии.
13. Что такое смачиваемость?
14. Чем адсорбция отличается от абсорбции?
15. Что такое капиллярные явления?
16. Назовите виды ПАВ.
17. Что такое константа скорости химической реакции?
18. Назовите виды сложных химических реакций.
19. Что такое энергия активации?
20. В чем заключается механизм проникновения жидкого металла в по-
ры формы?
21. На что влияет газовый режим литейной формы?
22. Какие физико-химические процессы протекают на границе ме-
талл – форма?
23. Как увеличить прочность форм?
24. Что такое матричная форма представления химических реакций,
протекающих при плавке литейных сплавов?
25. Что такое гранулометрический состав?
26. Поясните механизм образования пригара.
27. Что такое термодинамическая летучесть?
91
ТЕМЫ ДОМАШНИХ ЗАДАНИЙ
1. Методы расчета термодинамической функции состояния веществ.
2. Методы расчета газового режима литейной формы.
3. Поведение химических элементов в металлических расплавах.
4. Основы физической химии.
5. Коэффициент активности и методы его определения.
6. Разнообразие веществ и их природа.
7. Энтальпия и энтропия.
8. Когезия и адгезия.
9. Равновесное состояние газовых смесей.
10. Первый закон термодинамики и история его открытия.
11. Второй закон термодинамики и история его открытия.
92
УПРАЖНЕНИЯ И ЗАДАЧИ
1. Выведите уравнения для работы изотермического расширения газа
Ван-дер-Ваальса от объема V1 до объёма V2 при температуре T.
2. Может ли теплоемкость: а) равняться нулю; б) принимать отрица-
тельные значения; в) быть бесконечно большой величиной? Ответ обоснуйте.
3. Истинные теплоемкости газов и жидкостей в широком интервале
температур часто описываются зависимостями типа: C = a + bT = dT2 + …. .
Выведите уравнение для расчета теплоты, необходимой для нагрева (охлаждения) газа или жидкости.
4. Для каких реальных систем теплоемкости при постоянном давле-
нии и объеме можно считать практически равными?
5. Докажите справедливость уравнения Р. Майера.
6. Выведите уравнение, связывающее теплоемкости CnP и CnV реаль-
ного газа, состояние которого описывается уравнением Ван-дер-Ваальса.
7. Чему равна теплоемкость системы в случае изотермического про-
цесса?
8. Действием кислоты на металл получено 20 л водорода при давле-
нии 2 атм. Вычислите работу, совершаемую газом против атмосферного
давления 2 атм. (в литр-атмосферах, калориях, джоулях) (прил. 5).
Ответ: 40 л·атм.; 968 кал.; 4050 Дж.
9. Смесь ИГ, состоящая из 0,2 кг водорода и 4 кг азота, находится под
давлением 1,1013·106 Па при 298 К. Какова будет работа изотермического
расширения смеси до давления 1,1013·105 Па?
Ответ: 856 кДж.
10. При изобарном нагревании ИГ совершает работу, равную 10 кДж.
Как изменится внутренняя энергия ИГ в этом процессе, если его СV равна
1,5 кДж/м3?
Ответ: изменится на 15 кДж.
93
11. 5 моль азота при 100 °С занимали объем 0,025 м3. При нагревании
2
Т
2
0
Т
газа до 200 °С было затрачено 14650 Дж. Определите СP и конечный объем, если давление газа при этом не изменилось.
Ответ: 29,3 Дж/(моль·К); 0,0317 м3.
12. Тепло, выделяющееся при остывании 1 г платины от T до T0,
определяется выражением Q = 0,031590(T – T0) + 2,923·106(
–
) (в ка-
лориях). Выведите выражения: а) для средней теплоёмкости между температурами T и T0; б) истинной теплоемкости при температуре T.
Рассчитайте значение истинной теплоемкости при 30 °С.
Ответ: 0,03159 + 2,9234·10–6(T + T0); 0,3159 + 5,846·10
–6
Т;
0,03336 кал/(г·К).
13. Истинная удаленная теплоемкость железа при 100 °С –
0,1124 кал/(г·К). Средняя теплоемкость в интервале от 5 до 100 °С –
0,1089 кал/(г·К). Найдите линейную зависимость истинной удельной теплоемкости от температуры.
Ответ: 0,1054 + 0,00007 кал/(г·К).
94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их
закономерности на основе общих принципов физики. Она выделилась
в самостоятельную науку лишь в конце 19 века. Физическая химия явля-
ется относительно молодой по сравнению с другими науками и активно
развивается. Одно из направлений развития – уточнение расчетов процессов, протекающих при формировании отливок.
Изучение физической химии является одной из важнейших состав-
ляющих образовательного процесса современных специалистов, т. к. этот
предмет предполагает выявление количественных связей между физиче-
скими и химическими явлениями, обеспечивает фундаментальные основы
понимания механизмов функционирования природных объектов.
В настоящем пособии изложены основы физической химии в литей-
ных формах и в отливках при их изготовлении, раскрыто понимание ос-
новных законов термодинамики, внутренней энергии, энтальпии и энтро-
пии вещества, дано понятие химического потенциала и равновесия термодинамической системы. Рассмотрены растворы и их виды, особое внима-
ние уделено кинетике химической реакции. Также в работе разъясняется
механизм формирования прочности формовочных и стержневых смесей.
В пособии рассмотрены примеры решения задач в области физиче-
ской химии и приведены сами задачи, необходимые для практических за-
нятий. Работа содержит рисунки и графики для облегчения усвоения ма-
териала. В приложениях приведена вспомогательная справочная информация.
95
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баландин, Г. Ф. Физико-химические основы литейного производства : учеб. пособие / Г. Ф. Баландин, В. А. Васильев. – Москва : Машиностроение, 1971. – 216 с.
2. Брянский, Б. Я. Лекции по химической термодинамике : учеб. пособие / Б. Я. Брянский. – Омск : ООО «ИТЦ», 2013. – 93 с.
3. Васильев, В. А. Физико-химические основы литейного производства : учеб. для вузов / В. А. Васильев. – Москва : Интермет Инжиниринг,
2001. – 336 с. – ISBN 5-89594-050-1.
4. Жуховицкий, А. А. Физическая химия : учеб. для вузов / А. А. Жу-
ховицкий, Л. А. Шварцман. – 4-е изд., перераб. и доп. – Москва : Металлургия, 1987. – 688 с.
5. Леви, Л. И. Основы теории металлургических процессов : учеб. пособие / Л. И. Леви, Л. М. Марценбах. – Москва : Машиностроение, 1970. –
496 с.
6. Филиппов, С. К. Теория металлургических процессов : учеб. пособие / С. К. Филиппов. – Москва : Металлургия, 1967. – 345 с.
96
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ КУРСА
Уравнение Менделеева – Клапейрона
PV nRT=
( )
1 1
P PR nTV= =
∑ ∑
2
2
( ( ))
na
P V nb nRT
V
+ −=
12
a
E
r
=
Средняя кинетическая энергия частицы
к
3
2
E kT=
Основное уравнение
к
2
3
PV NE=
δδQ dU A= +
Работа расширения газа
δA PdV=
δ
m
Q mC dT=
;
δ
n
Q nC dT=
Первый закон термодинамики при посто-
δQ dU=
Первый закон термодинамики
( )
δQ d U PV dY=+=
δ
P
F
Q
C
dT
=
δ
V
V
C
dT
=
Уравнение Майера
nP nV
CCR= +
–1
cоnst
y
TV =
cоnst
y
TV =
11
22
1Е Рy
Е Рy
−
=
Изохорная молярная теплоемкость газа
( )
12 3
1
2
2
nV
C Rn n n= ++
Название Формула
Закон Дальтона
Уравнение Ван-дер-Ваальса
Потенциал Леннард-Джонса
ИГ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
кинетической теории газов
Первый закон термодинамики
Теплота
янном объеме системы
при постоянном давлении и δА = PdV
Теплоемкость
;
Уравнение Пуассона
по классической теории теплоемкости
;
;
97
Название Формула
Изохорная молярная теплоемкость
3
nV
CR=
Изохорная молярная теплоемкость
2
2
3
( 1)
A
nV
A
e
C RA
e
=
−
Колебательная составляющая молярной
2
2
( 1)
A
V
A
e
C RA
e
=
−
θ
V
D
T
Ca
=
max
ν
θ
D
h
k
=
21
,
TT P
H H C dT∆ =∆ +∆
∫
1
ν
P Pi
СC∆=
∑
одноатомного кристалла по классической
теории теплоемкости
одноатомного кристалла по квантовой
теории теплоемкости
теплоемкости многоатомного газа
по квантовой теории теплоемкости
(в расчете на одну степень свободы)
Закон кубов Дебая
Зависимость энтальпии реакции
от температуры (формула Кирхгофа)
где
где
,
98
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
0
298
H
∆
кДж
моль
0
298
S
Дж
моль К
⋅
Дж
моль К⋅
Темпера-
Ba-α 0 64,9
22,26
13,8
–
298–643
Cl
0
223,0
36,69
1,05
–2,52
173–1500
F
0 202,9
34,69
1,84
–3,35
273–2000
(г)
H
+
(г)
H
−
Li
(к)
0 28,03
12,76
35,98
–0,43
273–454
Mo
0
28,58
22,93
5,44
–
298–1800
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
ДЛЯ УСЛОВНЫХ ВЕЩЕСТВ И СОЕДИНЕНИЙ
Вещество
,
,
CP = a + bT + cT2,
a b ·103 c ·10–5
турный
интервал, К
Простые вещества
B
0 5,87 6,44 18,4 – 273–1200
(к)
Ba-β – – 10,45 29,3 – 643–983
C
C
1,897 2,38 9,12 13,22 –6,19 298–1200
(алмаз)
(графит)
0 5,74 17,15 4,27 –8,79 298–2300
Ca-α 0 41,62 22,2 – – 273–713
2(г)
Co-α 0 30,04 21,38 14,31 –0,88 298–650
Cr
0 23,76 24,43 9,87 –3,68 298–1823
(к)
Cs
0 84,35 – – – 298–303
(к)
Cu
0 33,30 22,64 6,28 – 298–1356
(к)
2(г)
Fe-α 0 27,15 19,25 21,0 – 298–700
Ga
0 41,09 – – – 298
(к)
Ge
0 42,38 23,8 16,8 – 298–1213
(к)
H
217,98 114,6 – – – –
(г)
1536,2 108,84 – – – –
125,08 108,84 – – – –
H
0 130,6 27,28 3,26 0,502 298–3000
2(г)
K
0 64,35 – – – 298–336
(к)
Mg
0 32,55 22,3 10,64 –1,59 298–923
(к)
Mn-α 0 31,76 23,85 14,14 – 298–1000
(к)
N
0 191,5 27,87 4,27 – 298–2500
2(г)
Na
0 51,42 20,92 22,43 – 298–371
(к)
Ni-α 0 29,86 16,99 29,46 – 298–630
99
0
298
H∆
,
кДж
моль
0
298
S
Дж
моль К⋅
Дж
моль К
⋅
Темпера-
(г)
О
+
(г)
О
−
OH
38,96
183,64 – – – 298
(
г)
ОН
+
(г)
ОН
−
O
0
205,03
31,46
3,39
–3,77
298–3000
P
0,30
28,8
19,83
16,32
–
298–800
S
0 227,7
36,11
1,09
–3,52
273–2000
Te
0
49,71
23,8
6,28
–
273–620
W
0
32,76
24,02
3,18
–
273–2000
AlCl
–697,4
167,0
55,44
117,15
–
273–453
,
CP = a + bT + cT2,
Вещество
a b ·103 c ·10–5
интервал, К
Простые вещества
O
249,18 160,95 – – – 298
(г)
1568,8 154,85 – – – –
турный
(г)
101,43 157,69 – – – 298
1317,2 182,66 – – – 298
2(г)
O
142,3 238,8 47,03 8,03 –9,04 298–1000
3(г)
P
S
S
Sb
Se
Si
–18,41 44,35 – – – 273–317
(белый)
(красный)
(монокристал.)
(ромбовидная)
2(г)
0 45,69 23,1 7,28 – 298–903
(к)
0 42,45 18,95 23,01 – 273–493
(к)
0 18,72 24,02 2,58 –4,23 273–1174
(к)
0 32,55 14,90 29,08 – 368–392
129,1 31,88 14,98 26,11 – 273–368,6
–134,53 171,42 – – – 298
Sn
Sr
Th
0 51,4 18,49 26,36 – 273–505
(белое)
0 54,4 23,43 5,37 – 298–508
(к)
(к)
0 53,39 21,67 19,0 – 298–1500
(к)
Ti-α 0 30,66 22,09 10,04 – 298–1155
Tl-α 0 64,22 22,01 14,48 – 273–505
U
0 50,33 14,18 33,56 2,93 298–935
(к)
(к)
Zn
0 41,59 22,38 10,04 – 273–693
(к)
Zr-α 0 38,9 28,58 4,69 –3,18 298–1135
Неорганические соединения
3(к)
AlF3-α –1488 66,48 72,26 45,86 –9,62 298–727
Al2O
3(корунд)
–1675 50,94 114,56 12,86 –34,31 298–1800
100