- •Физико-химические методы исследования металлургических процессов
- •Введение
- •Глава 1. Законы термодинамики
- •1.1. Основные понятия термодинамики
- •1.2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Энтальпия
- •1.3. Второй закон термодинамики. Энтропия
- •Глава 2. Термодинамика растворов
- •2.1. Общие сведения о растворах
- •2.2. Парциальное мольное свойство компонента раствора
- •Глава 3 физико-химические свойства расплавов
- •3.1. Определение поверхностного натяжения
- •3.1.1. Методы измерения поверхностного натяжения
- •3.2. Определение проводимости расплавов материалов
- •3.2.1. Методы измерения проводимости расплавов металлов и сплавов
- •3.2.2. Методы измерения электрической проводимости расплавленных шлаков
- •3.2.3. Бесконтактные методы измерения электрической проводимости металлургических расплавов
- •3.3. Определение плотности расплавов
- •3.3.1. Методы определения плотности расплавов
- •1.1.1 Термодинамический анализ
- •1.1.2 Алюмотермия
- •1.1.3 Расчет степени извлечения конечной продукции
- •Получение металлических порошков вольфрама и молибдена в расплавах солей
- •2.1. Основные теоретические положения
- •2.1.1. Термодинамическая оценка реакций получения вольфрама и молибдена
- •2.1.2. Термический анализ восстановления кислородных соединений вольфрама и молибдена
- •2.2. Порядок выполнения работы
- •2.3. Задания
- •2.4. Содержание отчета
- •2.5. Контрольные вопросы.
- •2.6. Библиографический список.
- •3.1. Основные теоретические положения
- •3.3. Обработка результатов эксперимента.
- •3.4. Задания
- •3.5. Контрольные вопросы
- •3.6. Библиографический список
- •4.1 Основные теоретические положения
- •4.1.1. Поверхностное натяжение
- •4.1.2. Поверхностное натяжение и смачиваемость
- •4.2. Методы определения поверхностного натяжения
- •4.3. Порядок выполнения работы
- •4.4. Задания
- •4.5. Контрольные вопросы
- •4.6. Библиографический список
- •5.1 Основные теоретические положения
- •5.2 Порядок выполнения работы
- •5.3 Задания
- •5.4 Содержание отчета
- •5.5 Контрольные вопросы
- •5.6 Библиографический список
- •6.1 Основные теоретические положения
- •6.2 Порядок выполнения работы
- •6.3 Задания
- •6.4 Содержание отчета
- •6.5 Контрольные вопросы
- •6.6 Библиографический список
- •Физико-химические методы исследования металлургических процессов
- •680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.
2.2. Парциальное мольное свойство компонента раствора
Условимся обозначать символом любое полное экстенсивное свойство чистого вещества k, а это же свойство, выраженное относительно одного моля вещества, т.е. мольное свойство чистого вещества k – .
. (2.8)
Свойства каждого компонента в растворе не будут равны свойствам этого компонента в виде чистого вещества, поэтому для описания свойств компонентов раствора используют понятие парциальных мольных свойств компонента k, которые обозначают .
(2.9)
Записав выражение (2.9) для функции Гиббса, получим широко используемое в дальнейшем соотношение
, (2.10)
где – парциальная мольная функция Гиббса;
– химический потенциал компонента k раствора, совпадающий с парциальной мольной функцией Гиббса.
Между парциальными мольными свойствами компонента раствора (, мольным свойством () раствора и полным свойством (E) всего раствора существуют следующие соотношения:
, (2.11)
. (2.12)
Для бинарного раствора в применимости к энтальпии, например, соотношения (2.11) и (2.12) будут иметь вид:
, (2.13)
, (2.14)
где – полная и мольная энтальпии раствора;
– парциальные мольные энтальпии первого и второго компонентов.
Глава 3 физико-химические свойства расплавов
3.1. Определение поверхностного натяжения
Жидкие вещества обладают хорошо известным характерным свойством сокращать свою поверхность, благодаря чему мелкие капли расплавленных металлов приобретают сферическую форму. Это является следствием того, что на поверхность капель жидкости действуют силы, стремящиеся предохранить каплю от растекания. Возникновение этих сил связано с тем, что частицы вещества, расположенные на поверхности жидкости, находятся под действием сил притяжения соседей, расположенных под ними и по сторонам; со стороны же свободной поверхности жидкости эти силы отсутствуют, а внутри жидкости они находятся во взаимоуравновешанном состоянии.
Поверхностное натяжение – отношение суммы поверхностных сил к длине или периметру перемещаемого этими силами контура, на который опирается поверхность, или его части.
σ = ΣF/l, Н/м, (3.1)
где σ - поверхностное натяжение; ΣF - сумма поверхностных сил; l - длина перемещаемой части контура.
Впервые теорию поверхностного натяжения жидких металлов выдвинул Я.И. Френкель, в ней поверхностное натяжение рассматривалось как электростатическая энергия двойного электрического слоя, возникающего на поверхности капли благодаря тому, что электронный газ, покидая металл, обладает энергией, отличной от энергии электронов внутри металла. Эту теорию в дальнейшем развивал Я.Г. Дорфман, который произвел расчет энергии двойного слоя на основе современной квантовой механики и показал, что величины поверхностного натяжения металлов, полученные расчетным и экспериментальным путем, имеют один порядок.
Согласно представлениям В.К. Семенченко, очень большая величина поверхностного натяжения жидких металлов, в частности щелочных, объясняется наличием свободных электронов. Столь большая величина поверхностного натяжения способна стабилизировать капли до такой степени, что, даже будучи каплями чистого вещества, они не смешиваются между собой. По мнению некоторых современных авторов микронеоднородность жидкого металла связана, прежде всего, не с образованием кристаллоподобных атомных группировок (кластеров), а с образованием мелкодисперсных, крайне устойчивых, не смешивающихся капель жидкости. Такая модель строения расплава получила название микроэмульсионной [2].
Явление взаимной растворимости двух жидкостей, или твердой фазы в жидкости тесно связано с характером и величиной их поверхностной энергии. Чем значительней взаимная растворимость веществ, тем меньше поверхностное натяжение на их границе. Причем имеет место взаимное влияние вещества на двойной электрический слой.
Повышение температуры вызывает уменьшение поверхностного натяжения, следовательно, увеличивает взаимную растворимость веществ, о степени уменьшения поверхностного натяжения судят по смачиваемости.
Рис. 3.1 Взаимосвязь между величиной поверхностного натяжения и смачиваемостью.
Три силы определяют величину смачивания; одна из них - поверхностное натяжение жидкого расплава (σжг). В случае ее снижения уменьшается угол смачивания, что способствует растеканию капли. Это видно из уравнения равновесия сил:
σтг = σгж + σж г · cos θ, Н / м, (3.2)
где σтг - поверхностное натяжение границы раздела твердое - газ (атмосфера); σгж - поверхностное натяжение границы раздела твердое - жидкость; σжг - поверхностное натяжение расплава (граница жидкость - газ), откуда
cos θ = (σтг - σгж )/ σж г. (3.3)
Поверхностное натяжение связано с плотностью расплава, следовательно, с динамической вязкостью. В отдельных случаях наблюдается корреляция с электросопротивлением. Электрическая природа поверхностного натяжения и связь его с плотностью позволяет говорить о том, что поверхностное натяжение является также структурно-чувсвительным свойством расплава.
Связь поверхностного натяжения с плотностью обычно определяется соотношением:
σ = (g · r · h · d)/2, H/м (3.4)
где r - радиус капилляра; g - ускорение свободного падения; h - высота подъема жидкости в капилляре; d - плотность.
Очевидно, что такое соотношение не применимо для капли, поскольку величина поверхностного натяжения связана с размерами капилляра.
Лаплас получил выражение для σ, не зависящее от размеров капилляра и поэтому пригодное для лежащей капли [3]:
σ =g · a2k · d, (3.5)
где aк - капиллярная постоянная, зависящая от природы соприкасающихся веществ; d - разность плотности капли и окружающей среды.