Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы производства. Термодинамические расчеты высокотемпературных систем и процессов, фазовые превращения. Практикум
.pdf
Т, °С
300
250
200
150
100
50
271,442
(Bi)
1,8
146
Ж
55
321,108
(Cd)
97,2
0
10 20
30 40
50 60
Bi Cd, % ат.
Рис. 6.6. Диаграмма состояния Bi–Cd
Задача 2
Диаграмма состояния Sn–Zn (рис. 6.7).
Т, °С
419,56
400
350
300
250
200
(Zn)
150
0
10 20
Zn Sn, % ат.
198,5
30 40
Ж
50 60
70 80
85,1
70 80
90
(βSn)
90
100
Cd
231,9681
100
Sn
Рис. 6.7. Диаграмма состояния Sn–Zn
71
1. Перечертите диаграмму. Обозначьте присутствующие фазы в
областях диаграммы. Оцените число степеней свободы и дайте им
пояснения.
2. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации
сплава состава 30 % Zn – 70 % Sn. Примените правило рычага и рассчитайте долю соответствующих фаз.
3. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации
сплава с начальной температурой кристаллизации 280 °C.
4. При какой температуре сплав состава
50 % Sn – 50 % Zn полно-
стью расплавится?
Задача 3
Дана диаграмма состояния Ca–Mg (рис. 6.8).
1. Перечертите диаграмму. Обозначьте присутствующие фазы в
областях диаграммы с указанием числа степеней свободы.
2. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации
расплавов составов 19 % Ca – 81 % Mg, 40 % Ca – 60 % Mg,
60 % Ca – 40 % Mg, 90 % Ca – 10 % Mg.
Т, °С
Mg
Ca
2
842
72
800
650
600
0,82
10,5
400
200
(Mg)
0
10 20
Mg Ca, % ат.
Рис. 6.8. Диаграмма состояния Ca–Mg
516,5
715
30 40
50 60
Ж
73
70 80
(βCa)
443
(αCa)
90
100
Ca
Задача 4
H
590
C
2
Дана диаграмма состояния Zn–Mg (рис. 6.9).
1. Перечертите диаграмму. Обозначьте присутствующие фазы в
областях диаграммы с указанием числа степеней свободы.
2. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации рас-
плавов составов, исходные состояния которых отмечены цифры 1 – 4.
3. Запишите составы сплавов, температура плавления которых со-
ставляет 500 °C.
E
600
1
3
4
500
A
400
B
380
MgZn
2
347
F
D
300
200
0
20
Zn Mg, %
Задача 5
Дана диаграмма состояния Sb–Bi (рис. 6.10).
1. Для расплава 30 % Sb – 70 % Bi назовите температуры и соста-
Рис. 6.9. Диаграмма состояния Zn–Mg
40 60
80
100
Mg
вы жидкой и твердой фаз в конце кристаллизации. Определите соотношение массовых долей жидкой и твердой фаз при 300 °C.
2. Рассмотрите превращения при охлаждении с 700 °С и последующей кристаллизацией сплава 60 % Sb – 40 % Bi. Можно ли получить при охлаждении сплав с содержанием Sb более 90 %?
73
700
600
500
631
400
300
271
200
100
0
10 20
30 40
50 60
70 80
Bi Sb, %
Рис. 6.10. Диаграмма состояния Sb–Bi
Задача 6
Дана диаграмма состояния Cu–Ni (рис. 6.11).
1400
1300
1200
1100
1084
1000
90
100
Sb
1451
74
900
800
0
10 20
30 40
50 60
70 80
Cu Ni, %
Рис. 6.11. Диаграмма состояния Cu–Ni
90
100
Ni
1. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации
расплава состава 50 % Cu – 50 % Ni. Назовите температуру и составы
жидкой и твердой фаз в начале и в конце кристаллизации. Какую долю составляет твердая фаза от всей массы сплава при температуре
1250 °C.
2. Рассмотрите превращения при нагреве и плавлении сплава состава 20 % Cu – 80 % Ni. Какова температура плавления сплава?
Задача 7
Дана диаграмма состояния SiO2–Al2O3 (рис. 6.12).
1. Рассмотрите превращения при охлаждении и кристаллизации
расплава, отмеченного точкой 1 на диаграмме. При описании процессов используйте правило фаз и правило рычага.
2. Укажите состав и температуру плавления шамота.
Рис. 6.12. Диаграмма состояния SiO2–Al2O3
6.6. Фазовая диаграмма Fe-O
Дана диаграмма Fe–O (рис. 6.13) представляет собой условия существования различных оксидных фаз в жидком и твердом состояниях, находящихся в равновесии с кислородом и показывает влияние
температуры на природу фаз и границы их существования.
75
Рис. 6.13. Диаграмма состояния Fe–O
Вертикальные линии представляют химические соединения:
Fe
– гематит, оксид железа наиболее богатый кислородом и
2O3
Fe
– магнетит. Последний оксид более прочный и сохраняет фа-
3O4
зовый и химический состав до плавления. Гематит – оксид с инконгруэнтным плавлением. При повышенных температурах в Fe
3O4
воз-
можно дополнительное растворение кислорода (область XVI). На
диаграмме нет линии, соответствующей чистому оксиду железа FeO,
но есть область твердого раствора кислорода в FeO (область XII).
Линия EG соответствует вюститу с минимальным содержанием кислорода, линия ЕН – вюститу с максимальным содержанием кислорода, причем концентрация кислорода заметно повышается с ростом
76
температуры. Вюстит не может существовать при температурах менее 570 С.
Область IV – раствор кислорода в δ-Fe, VI – раствор кислорода в
γ-Fe, область IX – раствор кислорода в α-Fe. Кривая охлаждения с
температурами перехода одной аллотропической модификации железа в другую, а также кристаллические решетки, им соответствующие, представлены на рис. 6.14. При этом ниже 910 °C (912 °С,
по
разным литературным источникам) существует α-Fe. Температура
768 °С соответствует магнитному превращению без изменения кристаллической решетки.
Рис. 6.14. Кривая охлаждения железа
Области VIII, X, XIII, XI, XVII – области твердых смесей. Коннода,
проведенная в любой из этих областей, позволяет определить фазы смеси. Определить количественные соотношения фаз в конкретной точке
областей можно, используя правило рычага (правило отрезков).
Область I – раствор кислорода в жидком железе. Линия ВС соответствует предельной растворимости кислорода в железе. Область
77
III – область жидких оксидных растворов. На диаграмме имеется об-
ласть расслаивания (область II), т.е. область равновесия двух жидких
фаз: насыщенного раствора кислорода в жидком железе и раствора
оксидов с минимальным содержанием кислорода.
Диаграмма позволяет определять составы и относительные количества фаз при определенной температуре и общем количестве кислорода в системе Fe–O.
В соответствии с принципом последовательности превращений
Байкова диссоциация оксидов железа происходит в такой последовательности:
при Т > 850 К Fe
при Т < 850 К Fe
→ Fe3O4 → FeO → Fe;
2O3
→ Fe3O4 → Fe.
2O3
Фазовая диаграмма Fe–O позволяет уточнить написание реакций
образования и диссоциации оксидов железа и последовательность
превращений.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое фазовое равновесие?
2. Как называются процессы перехода вещества из одной фазы в
другую, не сопровождающиеся химическими реакциями?
3. Какие фазовые переходы относятся к фазовым переходам пер-
вого рода? Второго рода?
4. Назовите примеры фазовых переходов первого рода.
5. Что такое «точка перехода»?
6. Какой процесс называется испарением, а какой сублимацией?
7.
Какой пар называется насыщенным?
8. Что такое упругость пара?
9. Дайте определение точки кипения вещества и приведите при-
меры.
10. Что такое фазовые диаграммы?
11. Приведите примеры однокомпонентных диаграмм состояния.
12. В каких координатах строятся однокомпонентные диаграммы
состояния?
13. Что такое «тройная точка воды»?
14. В каких фазах может существовать вода при давлении меньше
0,006105, равном 1,031105, больше 220,8105 Па и изменении температуры?
15. Как изменится температура кипения воды при внешнем давле-
нии меньше 1,03110
5
?
78
16. В каких фазах может существовать СО2 при давлении, равном
5
1,03110
СО
и изменении температуры?
17. Примените правило фаз Гиббса к объяснению диаграмм Н
.
2
О и
2
18. Что означает выражение «система бивариантна», «система мо-
новариантна»?
19. Как называют систему, если число степеней ее свободы равно
нулю?
20. Что выбирают в качестве осей координат при построении
двойных диаграмм состояния?
21. Назовите основные типы диаграмм состояния.
22. Дайте определение линии ликвидус.
23. Что ограничивает линия солидус на диаграммах состояния?
24. Что такое
коннода?
25. Приведите примеры реальных систем, относящихся к первому
типу диаграмм состояния.
26. Назовите реальные системы, подобные третьему типу диа-
грамм состояния.
27. Какие соединения называются конгруэнтно плавящимися?
28. Что позволяет определить правило рычага (правило отрезков)?
29. Рассмотрите охлаждение и кристаллизацию сплава для диа-
грамм первого типа.
30. Рассмотрите охлаждение и кристаллизацию сплава
для диа-
грамм второго типа.
31. Рассмотрите охлаждение и кристаллизацию сплава для диа-
грамм третьего типа.
32. Назовите области твердых растворов на диаграмме Fe–O и оп-
ределите границы их существования.
33. Назовите области смесей на диаграмме Fe–O и определите
границы их существования.
34. Назовите последовательно все фазы, которые могут существо-
вать в системе Fe-O при 1000 °C.
35.
Назовите последовательно все фазы, которые могут существо-
вать в системе Fe–O при 500 °C.
36. Укажите количественное соотношение фаз, присутствующих в
произвольно взятых точках в областях (VI, VIII, XII, XIII, XVII) при
1000 °С (диаграмма Fe–O).
37. Что происходит с оксидами Fe
и Fe3O4 при их нагревании?
2O3
38. Каков характер изменения кислородного потенциала при пе-
реходе от Fe
до γ-Fe (1000 °C)?
2O3
79
Библиографический список
1. Бокштейн Б.С., Менделев М.И. Краткий курс физической хи-
мии. – М.: ЧеРо, 2001. – 232 с.
2. Падерин С.Н., Серов Г.В., Рыжонков Д.И. Теория гомогенных и
гетерогенных процессов. – М.: МИСиС, 2003. – 164 с.
3. Пономарева К.С., Гугля В.Г., Никольский Г.С. Сборник задач по
физической химии. – М.: МИСиС, 2008. – 339 с
4. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3. Молекулярная физика и
термодинамика. – СПб.: Лань, 2011. – 224 с.
.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]