![]() |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Главная Рефераты по рекламе Рефераты по физике Рефераты по философии Рефераты по финансам Рефераты по химии Рефераты по хозяйственному праву Рефераты по цифровым устройствам Рефераты по экологическому праву Рефераты по экономико-математическому моделированию Рефераты по экономической географии Рефераты по экономической теории Рефераты по этике Рефераты по юриспруденции Рефераты по языковедению Рефераты по юридическим наукам Рефераты по истории Рефераты по компьютерным наукам Рефераты по медицинским наукам Рефераты по финансовым наукам Рефераты по управленческим наукам Психология и педагогика Промышленность производство Биология и химия Языкознание филология Издательское дело и полиграфия Рефераты по краеведению и этнографии Рефераты по религии и мифологии Рефераты по медицине Рефераты по сексологии Рефераты по информатике программированию Краткое содержание произведений |
Реферат: Термодинамические характеристики расплавов на основе железаРеферат: Термодинамические характеристики расплавов на основе железа1 ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ 1.1 Основные понятия 1.1.1 Энтальпия. Величина равная (E+PV) , часто встречается в термодинамических расчетах процессов, происходящих в системах при постоянном давлении; её обозначают через Н и называют энтальпией и иногда теплосодержанием. Т (1) аким образом,
где Е – внутренняя энергия системы; Р – давление в системе; V – объем. Из определения энтальпии следует, что она, подобно энергии, является функцией состояния системы, так как она выражена через энергию (функцию состояния) и переменные состояния P и V. Следовательно, изменение энтальпии для любого термодинамического цикла (циклического процесса) равно нулю. Если процесс не циклический, то при постоянном давлении изменение энтальпии системы равно полученной ею (системой) теплоте:
(2) .Таким образом, для изобарического процесса обмениваемая между системой и внешней средой теплота представляет разность между начальной и конечной энтальпией самой системы и не зависим от пути достижения конечного состояния системы. Этот вывод следует из уравнения (2) и первоначально установленного факта, что энтальпия системы является функцией только её состояния. Следует подчеркнуть, что уравнение (2) применимо только к системе при постоянном давлении, так как теплота q вообще является не только функцией начального и конечного состояний, но зависит также от пути процесса. [2] 1.1.2 Энтропия. Пусть две системы с термодинамическими вероятностями W1 и W2 образуют одну сложную систему, для которой термодинамическая вероятность W1+2. Так как каждый способ, которым осуществляется состояние первой системы, может сочетаться со всеми способами осуществления второй системы, то общее число способов, которыми может быть осуществлена сложная система, составляет:
(3) Это свойство мультипликативности делает функцию W неудобной для непосредственных расчетов. [1]Х (4) арактеризовать в этом смысле состояние системы оказалось удобнее не самой вероятностью осуществления данного макросостояния, а величиной, пропорциональной её логарифму. Эта величина называется энтропией. Энтропия (S) связана с числом (W) равновероятных микроскопических состояний, которыми можно реализовать данное макроскопическое состояние системы, уравнением:
где k – коэффициент пропорциональности Наименьшую энтропию имеют идеально правильно построенные кристаллы при абсолютном нуле. Энтропия кристалла, в структуре которого имеются какие-либо неправильности, уже при абсолютном нуле в несколько раз больше, так как нарушения идеальности могут реализоваться не единственным способом. С повышением температуры энтропия всегда возрастает, так как возрастет число способов их расположения. Возрастает она также при превращении вещества из кристаллического состояния в жидкое и, в особенности, при переходе из жидкого состояния в газообразное. Изменяется энтропия и при протекании химических процессов. Эти изменения обычно особенно велики в случае реакций, приводящих к изменению числа молекул газов: увеличение числа газовых молекул приводит к возрастанию энтропии, уменьшение – к её понижению. [4]
Изменение
энтропии при
различных
процессах.
Энтропия это
функция, дифференциал
которой равен
(5) ,
где
(6) .Для процессов, протекающих при постоянных давлении и температуре, имеем:
(7) .Для термодинамического вещества, нагретого и охлажденного при постоянном давлении,
где СР - теплоемкость вещества при постоянном давлении; и, следовательно,
(8) Точно также при нагреве и охлаждении вещества при постоянном объеме имеем: [2]
(9)
Если система
изолирована
от окружающей
среды, то
(10) .Следовательно, в замкнутой системе такие процессы сопровождаются увеличением энтропии. При равновесии энтропия замкнутой системы остается постоянной. [1] 1.1.3 Энергия Гиббса.
Термодинамические
характеристики
реакций включают
значения тепловых
эффектов и
величины
Изменение
энергии Гиббса
системы является
основной
термодинамической
характеристикой
химической
реакции. Для
определенности
исходные вещества
и продукты
реакции принимают
обычно находящимися
в их стандартных
состояниях.
Соответствующую
величину и
называют стандартной
энергией Гиббса
химической
реакции
З (11) ависимость![]()
К (12) оэффициенты М и N для различных реакций приведены в справочной литературе. Эти коэффициенты определяются на основе обобщения экспериментальных данных по равновесиям различных реакций. Величины M и N близки к средним значениям тепловых эффектов (![]() ![]()
(13) В некоторых справочных изданиях приведены не энергии Гиббса веществ GT , а приведенные энергии Гиббса ФТ , которые связаны с GT соотношением:![]() Д (14) ля энергии Гиббса реакции aA+bB=cC+dD , как и для некоторых других величин, применимо выражение:
Согласно
второму закону
термодинамики,
энергия Гиббса
при необратимых
процессах может
только убывать.
Отсюда следует,
что
Поскольку
R=8,3192 Дж/(моль*К):
При переходе
к десятичным
логарифмам
получаем:
Пользуясь
этим уравнением,
можно по известному
значению
(15) 1.1.4 Экстенсивные, интенсивные свойства; парциальные величины. Э (16) кстенсивными называют свойства, которые зависят от количества вещества : V, H, S, G и т.д. Для определения экстенсивного свойства g раствора необходимо просуммировать интенсивные (парциальные мольные) характеристики компонентов![]() ![]() ![]()
Интенсивные
свойства раствора
– свойства, не
зависящие от
количества
вещества, такие,
например, как
температура,
давление. К
числу интенсивных
принадлежат
и парциальные
мольные характеристики
(17) .
Таким образом,
1.2 Растворы Раствором называется однородная смесь, состоящая из двух или большего числа веществ, состав которой в известных пределах может непрерывно изменяться. Однородными являются и химические соединения, однако их состав не может изменяться непрерывно, так как они подчиняются законам постоянства состава и кратных отношений. 1.2.1 Идеальные растворы Цель термодинамической теории расплавов состоит в том, чтобы связать различные свойства растворов и найти способы предсказания свойств растворов, исходя из свойств чистых компонентов. Ввиду очень сложного характера взаимодействия компонентов в растворах решение этой задачи в общем виде невозможно. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть идеализированные случаи, в которых можно отделить главные черты явления от второстепенных. [1] Раствор называется идеальным, если :
а) теплота
смешения равна
нулю
б) изменение объема при смешении чистых компонентов равно нулю
в) парциальное давление пара каждого компонента пропорционально его молярной доле. Это означает, при всех концентрациях соблюдается закон Рауля при условии, что пары следуют законам идеальных газов и, следовательно, парциальные давления равны летучим. [7]
Идеальным
называется
раствор, в котором
соблюдается
закон Рауля
при температурах
и давлениях,
при которых
возможно его
существование.
Закон Рауля
гласит, что для
ограниченного
числа растворов
парциальное
давление каждого
компонента
pi
равно произведению
молярной доли
компонента
xi
на упругость
пара в его чистом
виде (давление
пара чистого
компонента)
(18)
Теплота
образования
идеального
раствора. Поскольку,
суммарная
энергия взаимодействия
частиц при
образовании
идеального
раствора из
чистых компонентов
не изменяется
(такие растворы
называют
совершенными),
парциальные
объемы компонентов
и их парциальные
энтальпии будут
равны соответствующим
мольным характеристикам:
(19) где Нидеальн - энтальпия 1 моля идеального раствора;
Из этого
следует, что
энтальпия, или
теплота смешения
для идеального
раствора
(20) .Изменение объема при образовании идеального раствора. Можно показать таким же образом, как это было сделано выше, что изменение объема при образовании идеального раствора по отношению к аддитивному равно нулю.
Как
было сказано
ранее,
(21) где Vидеальн - объем 1 моля идеального раствора;
1.2.1.1 Совершенные растворы. Как уже говорилось, идеальный совершенный раствор представляет такую модель, в которой закон Рауля выполняется с абсолютной точностью во всем интервале составов. Суммарная энергия взаимодействия частиц при образовании такого раствора из чистых компонентов не изменяется. [6] Такие растворы характеризуется благодаря близости свойств компонентов тем, что они образуются без теплового эффекта и без изменения объема. [1] Фактором, который вызывает самопроизвольное образование совершенного раствора из чистых компонентов, является изменение энтропии. Оно обусловлено тем, что термодинамическая вероятность раствора (в котором каждая из молекул может находиться в любой части занимаемого им объема) выше, чем вероятность системы, где каждый из компонентов занимает только свой объем, составляющий лишь часть общего объема. Никакого дополнительного изменения энтропии, связанного с упорядочением хаотичного движением молекул, при образовании совершенного раствора не происходит. [6] Таким образом, в отличие от величин H и V свободная энергия и энтропия при образовании совершенного раствора неаддитивны. Очевидно, энтропия раствора определяется уравнением: [1]
(22) О (23) пределение энтропии образования совершенного раствора с использованием формул молекулярной статистики дает следующие выражения:![]()
(24) .Отсюда следует:
(25)
(26)
(27)
где
П
(28) ,где ai – активность компонента i в растворе; Pi – давление насыщенного пара компонента i над раствором;
В бинарном растворе 1-2 (рисунок 1) активность компонента 2 при его молярной доле х2:
(29) ,где Р2 – давление насыщенного пара компонента 2 над раствором с концентрацией 2, равной х2;
Из закона Рауля при той же концентрации х2 (см. рисунок 1) имеем:
(30) ,
где
Для количественной
оценки отклонения
от закона Рауля
вводится коэффициент
активности
(31) .И (32) з рисунка 1 следует также, что![]()
Для идеальных
растворов
1.2.1.2 Совершенные растворы Применительно к растворам различных компонентов в металлах, мы обычно имеем дело с разбавленными растворами этих компонентов. Термин «разбавленный раствор» применяют к системам, в жидкой фазе которых содержание одного элемента значительно превышает содержание других компонентов. В количественном отношении этот термин является довольно неопределенным, так как нельзя указать какие-то концентрационные границы, в пределах которых раствор следует считать разбавленным. В каждом отдельном случае представление о степени разбавленности раствора связано с тем, какие свойства его и с какой точностью исследуют. [3] В таких разбавленных растворах термодинамические характеристики растворенного вещества пропорциональны его концентрации, несмотря на значительные отклонения от закона Рауля. Такое поведение растворенного вещества в разбавленном растворе соответствует закону Генри. [5] С (33) огласно закону Генри, при малых концентрациях растворенного вещества его парциальное давление (давление насыщенного пара над раствором) прямо пропорционально мольной доле этого компонента:Рi=ki ci (при условии, что вещество i - не растворитель), где ki – коэффициент (константа) Генри, зависящий от химической природы компонентов, а также от выбранных единиц измерения концентрации.
Особенность
модели разбавленного
раствора заключается
в том, что она
(в отличие от
модели совершенного
раствора) не
определяет
величину энергии
взаимодействия
растворенного
вещества с
растворителем.
Для упрощения
(необходимого
в любой модели)
не учитывается
взаимодействие
молекул растворенного
вещества друг
с другом (в связи
с их малой
концентрацией),
они реагируют
лишь с молекулами
растворителя.
Таким образом,
добавление
растворенного
вещества в
разбавленный
раствор вызывает
такое же изменение
внутренней
энергии и энтальпии
системы, как
добавление
его в чистый
растворитель
(при условии,
что раствор
и после добавления
останется
разбавленным),
т.е. парциальная
мольная энтальпия
растворенного
вещества в
разбавленном
растворе
(34) ![]()
Знак
Гипотетическое
стандартное
состояние
вещества (Генриево
гипотетическое
состояние)
получают путем
экстраполяции
закона Генри
от крайне низких
концентраций
И (35) зменение энтропии![]()
где А - постоянная величина, не зависящая от состава раствора, но зависящая от выбора единиц измерения с2. [6] О (36) (37) тсюда:![]()
Активность компонента 2 при его концентрации х2 по отношению к гипотетическому стандартному состоянию (см. рисунок 2):
(38)
Т
Отклонение
от закона Генри
характеризуется
коэффициентом
активности
f2.
Такое обозначение
для коэффициента
активности
веществ в
разбавленных
растворах
введено для
того, чтобы
отличить этот
коэффициент
активности,
показывающий
отклонения
от закона Генри
от коэффициента
активности
Коэффициент активности f2 связывает концентрацию компонента х2 с его активностью в разбавленном растворе по отношению к гипотетическому стандартному состоянию в виде следующего выражения:
(39) .Из закона Генри следует, что :
(40) .Поэтому коэффициент активности можно определить по соотношению (см. рисунок 2):
(41) .
В области
разбавленных
растворов
разница между
Р2
и
П (42) оскольку в разбавленном растворе молярная доля растворенного компонента пропорциональна его массовому проценту, очень удобным для практических расчетов является использование 1% стандартного состояния, поскольку это устраняет необходимость перевода процентов по массе, которыми обычно выражают состав раствора, в молярные доли. В разбавленных растворах активность растворенного компонента по отношению к этому стандартному состоянию становится равной концентрации, выраженной в процентах по массе. Активность растворенного компонента по отношению к 1%-му стандартному состоянию:
где f2 – коэффициент активности для этого стандартного состояния. [%2] – концентрация компонента 2 в растворе. [5] 1.2.2 Реальные растворы
Как отмечалось,
совершенные
растворы
характеризуются
следующими
свойствами:
образование
раствора не
сопровождается
тепловым эффектом
(
(43) ![]()
Р Прямые штриховые линии соответствуют давлению пара, которое наблюдалось, если бы растворы были совершенными. На рисунке 3-а показаны положительные отклонения, при которых давление пара выше, чем для совершенного раствора такой же концентрации, а на рисунке 3-б – отрицательные отклонения, где давление пара меньше, чем для совершенного раствора. Наличие положительных отклонений показывает, что образование раствора затруднено (из-за стремления каждого типа атомов группироваться с одноименными атомами) по сравнению с совершенным. При больших отклонениях жидкости расслаиваются. Отрицательные отклонения указывают на более сильную тенденцию к образованию раствора (тенденцией атомов одного типа образовывать группы с атомами других типов), чем в случае совершенного раствора. Это означает, что есть дополнительные причины для образования раствора. [1]
И
Так как
изменение
свободной
энергии (энергии
Гиббса)
выражается
уравнением
(26), то отклонения
в поведении
реальных растворов
от совершенных
могут определяться
как тем, что
Д (44) ля характеристики отклонения реальных систем от идеальных целесообразно ввести понятие об избыточных термодинамических функциях смешения. Так, для энергии Гиббса можно записать:
(45) Для двухкомпонентной системы:
(46)
(47)
(48)
(49) Энтропия:
(50)
(51) Для двухкомпонентной системы:
(52)
(53)
(54)
Поскольку
Для избыточных функций справедливы все общие соотношения между интегральными и парциальными величинами.
Величина
Каких-либо
ограничений
для знаков
В последнем
случае по абсолютной
величине
1.2.2.1 Регулярные растворы Р (55) егулярными называются растворы, образование которых сопровождается тепловым эффектом, а величина![]()
И (56) з этого выражения можно вывести важное для практических расчетов соотношение:
которое
позволяет
оценить температурную
зависимость
коэффициента
активности,
если известно
хотя бы одно
его значение.
Принимая, что
(57) .Предполагается, что энтропийная составляющая энергии Гиббса в регулярном растворе такая же, как в совершенном, и может быть рассчитана исходя из допущения о полной хаотичности в расположении атомов. Таким образом, энергия Гиббса в регулярном растворе определяется следующими выражениями:
(58)
(59) .
Допущение
о хаотичности
расположения
атомов при
определенном
взаимодействии
между ними
является главным
противоречием
модели регулярного
раствора,
ограничивающим
область её
применения.
Очевидно, что
наилучшие
результаты
модель регулярных
растворов может
дать для систем
с относительно
слабым взаимодействием.
В таких системах
величина
Р (60) яд полезных соотношений теории регулярных растворов может быть получен из статистического анализа модели, предполагающей хаотическое расположение атомов по узлам некоторой решетки, существование которой допускается как в твердом теле, так и в жидкости. Одним из результатов такого анализа является следующее выражение для избыточной энергии Гиббса образования одного моля регулярного раствора из чистых компонентов 1 и 2:
где z – число ближайших соседей атома; NA – число Авогадро;
(61) Р (62) 1-2 – число связей 1-2; при хаотическом расположении атомов:Р1-2=z NA x1x2 . Р (63) ассмотрим концентрационную зависимость величины![]() ![]() ![]()
что соответствует
параболе с
экстремумом
в точке х1=х2=0,5.
Экспериментальное
значение
(64) .Отсюда получим:
(65) (66) ,![]()
Как
видно из уравнений,
энергия смешения
(67) ;
(68) ![]()
Из данных
уравнений
следует, что
при
Таким образом, энергия Гиббса (для бинарного раствора):
(68) ;
(68) ;
(68) .
Как видно,
все основные
термодинамические
характеристики
регулярного
раствора, включая
температурную
и концентрационную
зависимость
активности,
могут быть
рассчитаны,
если известен
один параметр
– энергия смешения
Таким образом,
теория регулярных
растворов
предоставляет
довольно широкие
возможности
для расчета
термодинамических
характеристик.
Однако довольно
ограничен круг
расплавов,
которые могут
быть описаны
этой теорией
с удовлетворительной
степенью точности
и в широком
диапазоне
температур
и концентраций.
Проведенный
анализ имеющихся
экспериментальных
данных о 175 бинарных
металлических
системах показал,
что только
восемь из них
можно удовлетворительно
описать теорией
регулярных
растворов в
простейшем
её варианте.
На практике
эти уравнения
часто используют
в качестве
интерполяционных
формул в ограниченном
интервале
температур
или концентраций.
При этом величину
1.2.2.2 Субрегулярные растворы
Одно из наиболее
часто встречающихся
противоречий
заключатся
в том, что реальные
системы характеризуются
обычно несимметричными
зависимостями
термодинамических
характеристик
от состава, а
теория регулярных
растворов
предсказывает
их симметрию.
Чтобы устранить
это расхождение
теории с экспериментом
был предложен
один из усложненных
вариантов
модели, которых
получил название
субрегулярного
раствора. Отличие
этого раствора
от регулярного
заключается
в том, что его
энергия смешения
(69) .
Так как
(70) .Для определения парциальных теплот растворения воспользуемся формулой:
(71) .В результате получим:
(72) ;
(73) .Остальные формулы теории субрегулярных бинарных растворов следуют из соответствующих формул для регулярных систем:
(74) ;
(75) ;
(76) .
Как видно
из полученных
уравнений,
усложнение
модели привело
к тому, что в
расчетные
формулы входит
теперь не один
параметр (как
в теории регулярных
растворов), а
два:
1.2.2.3 Квазирегулярные растворы В случае квазирегулярного раствора поправка вводится как избыточная энтропия, связанная с теплотой образования раствора простым соотношением:
(77) ,![]() Из этого следуют важные расчетные формулы:
(78) ;
(79) .
Из данного
выражения можно
вывести формулу
для расчета
температурной
зависимости
коэффициента
активности
по его значению
при одной
температуре.
При обычном
допущении
(80) .
Сопоставляя
это выражение
с выражением
Как и для
субрегулярных
растворов, в
формулы (78), (79) входят
два параметра,
в данном случае
Важным
моментом в
теории квазирегулярных
растворов
является то,
обстоятельство,
что параметр
36 2 Концентрационные уравнения для бинарных растворов с полной взаимной растворимостьюДо недавнего времени в качестве математических моделей при исследовании термодинамических характеристик растворов применялись только интерполяционные уравнения: «…пока не удается вывести в общем виде теоретически обоснованную формулу концентрационной зависимости термодинамических функций для реальных систем. В связи с этим при обработке экспериментальных данных применяются различные интерполяционные формулы [8] ». Как известно, таким методом невозможно описать всего многообразия реально существующих металлических расплавов. Поэтому, в работе [9] впервые были выведены аналитические уравнения, связывающие термодинамические функции бинарного расплава с концентрацией его компонентов. Далее приведено краткое описание вывода. 2.1 Вывод концентрационных уравнений.
При образовании
раствора
относительная
парциальная
молярная энергия
Гиббса
(81) ;из данного уравнения активность компонента можно выразить следующим образом:
(82) .
Поскольку
(83) .
Задача
заключается
в том, чтобы
величины
Рассмотрим
парциальные
молярные энтальпии
компонентов
бинарного
раствора
(84) ;которое можно записать в следующей форме:
(84’) .В результате определенных преобразований, аналитически получены концентрационные уравнения для парциальной молярной энтальпии компонентов в бинарном растворе с неограниченной растворимостью:
(85) ,
(86) .
В этих
уравнениях
(87) .
Однако,
в уравнениях
(85) и (86) функции
(88) .
Аналогичное
выражение
запишем и для
|
Лит. источник |
[10] |
[11] |
[12] |
[13] |
[14] |
[15] |
|||||||
№ |
xSi |
aSi |
Si |
aSi |
Si |
aSi |
Si |
aSi |
Si |
aSi |
Si |
aSi |
Si |
1 |
0,0 |
0,000 |
- |
0,00 |
- |
0,00 |
- |
0,00 |
- |
0,00 |
- |
0,00 |
- |
2 |
0,1 |
0,002 |
-4,83 |
0,009 |
-2,973 |
0,0011 |
-5,568 |
0,0008 |
-5,96 |
0,001 |
-5,685 |
0,008 |
-5,961 |
3 |
0,2 |
0,009 |
-4,845 |
0,026 |
-3,188 |
0,0051 |
-5,733 |
0,0043 |
-6,0 |
0,0045 |
-5,928 |
0,0083 |
-4,972 |
4 |
0,3 |
0,031 |
-4,632 |
0,076 |
-2,802 |
0,0198 |
-5,547 |
0,025 |
-5,07 |
0,0193 |
-5,599 |
0,030 |
-4,699 |
5 |
0,4 |
0,083 |
-4,368 |
0,164 |
-2,477 |
0,0669 |
-4,967 |
0,090 |
-4,14 |
0,0481 |
-5,884 |
0,080 |
-4,471 |
6 |
0,5 |
0,197 |
-3,726 |
0,285 |
-2,248 |
0,1779 |
-4,134 |
0,234 |
-3,04 |
0,162 |
-4,508 |
0,190 |
-3,870 |
7 |
0,6 |
0,427 |
-2,126 |
0,426 |
-2,141 |
0,3570 |
-3,245 |
0,455 |
-1,73 |
0,378 |
-2,888 |
0,415 |
-2,304 |
8 |
0,7 |
0,623 |
-1,295 |
0,525 |
-3,196 |
0,5567 |
-2,545 |
0,624 |
-1,28 |
0,582 |
-2,051 |
0,664 |
-0,926 |
9 |
0,8 |
0,745 |
-1,781 |
0,624 |
-6,212 |
0,7379 |
-2,020 |
0,770 |
-0,96 |
0,730 |
-2,289 |
0,780 |
-0,633 |
10 |
0,9 |
0,882 |
-2,00 |
0,830 |
-8,097 |
0,8890 |
-1,230 |
0,885 |
-1,68 |
0,879 |
-2,361 |
0,897 |
-0,334 |
11 |
1,0 |
1,000 |
- |
1,00 |
- |
1,00 |
- |
1,00 |
- |
1,00 |
- |
1,00 |
- |
уменьшение точности измерений в области богатой компонентом, парциальные молярные характеристики которого определяются.
Из вышесказанного следует заключить: математический метод нежелателен в использовании в силу его неточности.
Проще и надежнее поставленная задача решается графически.
4.2 Графический метод.
Суть
данного метода
поясняет рисунок
9. На этом рисунке
Su
площадь под
линией ai=f(xi)=xi
в идеальном
расплаве; Sp
– площадь под
кривой ai=f(xi)
в реальном
расплаве;
- абсолютное
значение разности
площадей Su
и Sp
:
(104)
Введем
понятие интегрального
коэффициента
идеальности
реального
расплава К,
который равен:
(105)
.
В
бинарном расплаве
для каждого
компонента
существует
своё значение
интегрального
коэффициента
идеальности,
т.е. К1
и К2.
Для нахождения
численных
значений
и
достаточно
умножить величину
Кi
на предельные
значения названных
коэффициентов,
а именно на
+0,862 или –0,5.
Чтобы
понять, как
можно определить
знаки коэффициентов
обратимся к
рисунку 10. На
этом рисунке
представлены
зависимости
для трех
бинарных
расплавов,
характеризующихся
различными
отклонениями
от закона Рауля:
Fe
– Cu
при Т=1873 К [16] - сильное
положительное
отклонение;
Fe
– Si
при Т=1873 К (совместная
обработка
данных [10, 12, 15, 17, 18, 19] –
сильное отрицательное
отклонение;
Pd
– W
при Т=1973 К [20] –
знакопеременное
отклонения.
Здесь же приведены
и значения
для компонентов
всех трех расплавов.
Из данного
рисунка можно
сделать вывод:
в тех случаях,
когда с ростом
абсолютное
значение функции
уменьшается
– коэффициент
положительный,
и наоборот,
если функция
по абсолютному
значению возрастает.
Коэффициент
имеет, соответственно,
противоположный
знак.
Пример.
В
системе Fe
– Cu
(рисунок 10) для
железа получено:
Su=0,5
, Sp=0,696,
и KFe=0,196/0,5=0,392.
Отсюда:
и
.
Значения
и
определены
из уравнений
(102) и (103). Они равны:
.
Величины,
,
и
,
при известных,
,
,
и
,определяются
из уравнения
(98).
Выводы:
1 – из двух рассмотренных
нами методов
вычисления
коэффициентов
и
более рациональным
является графический
метод.
2 – показана возможность применения концентрационных уравнений для термодинамического описания металлических расплавов с любым характером отклонения от идеальности.
45
4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ
КВАДРАТОВ ПРИ
РАСЧЕТЕ ФУНКЦИИ
Функция
,
как говорилось
ранее, имеет
прямолинейный
характер и
описывается
уравнением
.
Однако, поскольку
это прямая, то
для упрощения
расчетов она
может быть
представлена
уравнением
:
(106)
Вычисление коэффициентов в уравнении прямой линии по методу наименьших квадратов.
Для того чтобы подобрать значения коэффициентов а и b в линейной функции (уравнение (106)), отображающей экспериментальные данные, должно выполняться условие:
(107)
Дифференцируя выражение (106) по а и b, имеем:
Подставляя в формулы (108), получим два уравнения для определения a и b:
;
,
или, раскрывая скобки и производя суммирование, получим:
Эти уравнения можно записать иначе:
Для вычисления коэффициентов a и b достаточно составить таблицу в соответствии с экспериментальными данными, которая приведена ниже.
Таблица 2 – Исходные данные для вычисления коэффициентов a и b
Исходные параметры для вычислений |
|
|||||||||
|
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 4,5 |
|
0,01 | 0,04 | 0,09 | 0,16 | 0,25 | 0,36 | 0,49 | 0,64 | 0,81 | 2,85 |
|
- - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - |
|
|
- - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - | - - - |
|
Решая систему уравнений (111), подставив в эти уравнения данные из таблицы 2, определим численные значения коэффициентов a и b.
77
5 ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ КОНЦЕТРАЦИОННЫХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ОПИСАНИЯ РЕАЛЬНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМ ХАРАКТЕРОМ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ЗАКОНА РАУЛЯ
5.1 Подробный анализ системы Fe – Cu.
Система Fe– Cu характеризуется положительным отклонением от закона Рауля.
5.1.1 Исходные данные к системе Fe – Cu.
В работе [16] на основе литературных и экспериментальных данных получены уравнения Крупновского для рассматриваемой системы, из которых выведены уравнения коэффициентов активности компонентов:
(112)
,
(113)
.По уравнениям (112) и (113) вычислены начальные исходные данные, которые приведены в таблице 3. По данным таблицы 3 построены рисунки 11 и 12.
5.1.2 Корректировка исходных данных
Из сравнения рисунков 11 и 12 видно, что расположение точек на рисунке 12, вычисленных по уравнению (113), в большей степени приближается к прямой линии, чем точки на рисунке 11.
Поэтому дальнейшему математическому анализу подвернем сначала термодинамические характеристики, относящиеся к железу, а затем, на их основании вычислим параметры меди.
Корректировка данных по железу. Обработаем данные таблицы 3 в соответствии с уравнением (106). Чтобы найти коэффициенты a и b, входящие в него, решим систему уравнений (111).
Таблица 3 –Исходные термодинамические характеристики компонентов в системе Fe – Cu.
Медь |
Железо |
||||||
xCu |
Cu |
aCu |
Cu |
XFe |
Fe |
aFe |
Fe |
0,1 | 3,748 | 0,3748 | 1,6311 | 0,1 | 4,47 | 0,447 | 1,8488 |
0,2 | 2,9415 | 0,5883 | 1,6853 | 0,2 | 3,0095 | 0,6019 | 1,7215 |
0,3 | 2,3573 | 0,7072 | 1,75 | 0,3 | 2,228 | 0,6684 | 1,6349 |
0,4 | 1,9306 |
0,7722 |
1,8272 | 0,4 | 1,7582 | 0,7033 | 1,5676 |
0,5 | 1,6173 | 0,8086 | 1,9229 | 0,5 | 1,4592 | 0,7296 | 1,5116 |
0,6 | 1,3875 | 0,8325 | 2,0469 | 0,6 | 1,2637 | 0,7582 | 1,4626 |
0,7 | 1,221 | 0,8547 | 2,2186 | 0,7 | 1,136 | 0,7952 | 1,4168 |
0,8 | 1,1045 | 0,8836 | 2,4854 | 0,8 | 1,0561 | 0,8449 | 1,3652 |
0,9 | 1,0306 | 0,9276 | 3,0177 | 0,9 | 1,0129 | 0,9116 | 1,2806 |
Составим таблицу, подобную таблице 2, с необходимыми параметрами для решения этой системы уравнений.
Таблица 4 – Необходимые параметры для решения системы уравнений (111), относящиеся к характеристикам железа.
Численные значения |
|
|||||||||
|
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 4,5 |
|
0,01 | 0,04 | 0,09 | 0,16 | 0,25 | 0,36 | 0,49 | 0,64 | 0,81 | 2,85 |
|
1,8488 | 1,7215 | 1,6349 | 1,5676 | 1,5116 | 1,4626 | 1,4168 | 1,3652 | 1,2806 | 13,8096 |
|
0,185 | 0,3443 | 0,4905 | 0,627 | 07558 | 0,8776 | 0,9918 | 1,0922 | 1,1525 | 6,5166 |
Следовательно, уравнение (106) для железа будет выглядеть так:
(114)
Из него
видно, что при
xFe=0:
,
а при xFe=1:
.
Корректировка данных по меди. Для меди ход решения будет аналогичным, поэтому запишем лишь конечное выражение, с учетом найденных коэффициентов а и b:
(115)
из
которого следует,
что
,
.
Значения
и
определим из
уравнений (102)
и (103):
Линейные зависимости, в соответствии с уравнениями (114) и (115), изображены на рисунках 12 и 11 соответственно. В таблице 5 приведены скорректированные исходные данные по aFe, а также некоторым другим характеристикам.
Таблица 5 – Скорректированные исходные термодинамические характеристики для железа.
xFe |
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
Fe |
1,793 | 1,728 | 1,663 | 1,599 | 1,534 | 1,469 | 1,405 | 1,340 | 1,275 |
lnFe |
1,452 | 1,106 | 0,815 | 0,576 | 0,384 | 0,235 | 0,126 | 0,054 | 0,013 |
Fe |
4,272 | 3,022 | 2,259 | 1,778 | 1,467 | 1,265 | 1,135 | 1,055 | 1,013 |
aFe |
0,427 | 0,604 | 0,678 | 0,711 | 0,734 | 0,759 | 0,794 | 0,844 | 0,916 |
По данным таблицы 5 построен рисунок 13.
5.1.3
Вычисление
значений Аi,
Bi,
и
.
Железо.
Как было сказано
выше,
;
.
Значение величин
AFe
и BFe
найдем из уравнения
(98).
При xFe=0
имеем:
.
При xFe=1
имеем:
.
Вычислим:
Тогда:
Решая систему уравнений (116), находим: AFe=2,2117; BFe=0,3542.
,
Медь. Зная характеристики железа в растворе Fe – Cu, вычислим термодинамические функции меди.
Окончательные результаты термодинамического анализа системы Fe – Cu приведены в таблицах 6 и 7.
Вывод: показана применимость концентрационных уравнений для нахождения термодинамических характеристик растворов с отрицательным отклонением от идеальности.
5.2 Подробный анализ системы Fe – Si.
Расплав Fe – Si представляет собой типичный пример системы с отрицательным отклонением от закона Рауля.
5.2.1 Исходные данные.
Исходные данные по активности компонентов в расплаве Fe – Si при Т=1873 К приведены в таблице 8. Все расчеты выполнены по данным для кремния.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
1,8575 |
1,778 |
1,703 |
1,631 |
1,563 |
1,498 |
1,436 |
1,377 |
1,319 |
1,264 |
1,2107 |
|
1,8575 |
1,440 |
1,01 |
0,799 |
0,563 |
0,375 |
0,230 |
0,124 |
0,053 |
0,013 |
0,0 |
|
6,408 |
4,221 |
2,973 |
2,224 |
1,755 |
1,454 |
1,258 |
1,132 |
1,054 |
1,013 |
1,0 |
|
0,0 |
0,422 |
0,595 |
0,667 |
0,702 |
0,727 |
0,755 |
0,792 |
0,843 |
0,911 |
1,0 |
|
34441 |
26982 |
20642 |
15318 |
10918 |
7362 |
4579 |
2505 |
1084 |
264 |
0 |
|
2,9448 |
2,433 |
1,962 |
1,533 |
1,151 |
0,817 |
0,534 |
0,307 |
0,14 |
0,036 |
0,0 |
Таблица 7 – Термодинамические характеристики меди в расплаве Fe – Cu при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация меди в расплаве - xCu |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
1,51 |
1,571 |
1,634 |
1,7 |
1,77 |
1,842 |
1,919 |
1,999 |
2,084 |
2,175 |
2,271 |
|
1,51 |
1,272 |
1,046 |
0,833 |
0,637 |
0,461 |
0,307 |
0,18 |
0,083 |
0,022 |
0,0 |
|
4,527 |
3,57 |
2,846 |
2,301 |
1,891 |
1,585 |
1,359 |
1,197 |
1,087 |
1,022 |
1,0 |
|
0,0 |
0,357 |
0,569 |
0,69 |
0,756 |
0,792 |
0,816 |
0,838 |
0,87 |
0,92 |
1,0 |
|
29657 |
24675 |
20041 |
15785 |
11941 |
8545 |
5641 |
3276 |
1505 |
389 |
0 |
|
3,279 |
2,595 |
2,004 |
1,5 |
1,079 |
0,733 |
0,46 |
0,253 |
0,11 |
0,027 |
0,0 |
Лит. источник |
[7] |
[10] |
[11] |
[12] |
[13] |
[14] |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 | 0,0008 | 0,823 | 0,002 | 0,835 | 0,009 | 0,820 | 0,0010 | 0,8600 | 0,0008 | 0,8100 | 0,0010 | 0,8590 |
0,2 | 0,0083 | 0,556 | 0,009 | 0,600 | 0,026 | 0,608 | 0,0510 | 0,6489 | 0,0043 | 0,6650 | 0,0045 | 0,6650 |
0,3 | 0,0300 | 0,363 | 0,031 | 0,361 | 0,076 | 0,448 | 0,0198 | 0,4047 | 0,0250 | 0,4030 | 0,0193 | 0,4320 |
0,4 | 0,0800 | 0,213 | 0,083 | 0,160 | 0,164 | 0,264 | 0,0669 | 0,2030 | 0,0900 | 0,1900 | 0,0481 | 0,2130 |
0,5 | 0,1900 | 0,106 | 0,197 | 0,062 | 0,285 | 0,137 | 0,1779 | 0,0858 | 0,2340 | 0,0930 | 0,1620 | 0,0953 |
0,6 | 0,4150 | 0,040 | 0,427 | 0,027 | 0,426 | 0,056 | 0,3570 | 0,0344 | 0,4550 | 0,0450 | 0,3780 | 0,0344 |
0,7 | 0,6440 | 0,018 | 0,623 | 0,011 | 0,525 | 0,033 | 0,5567 | 0,0142 | 0,6240 | 0,0190 | 0,5820 | 0,0147 |
0,8 | 0,7800 | 0,010 | 0,745 | 0,005 | 0,624 | 0,022 | 0,7379 | 0,0058 | 0,7700 | 0,0070 | 0,7300 | 0,0074 |
0,9 | 0,8970 | 0,005 | 0,882 | 0,002 | 0,830 | 0,010 | 0,8890 | 0,0020 | 0,8850 | 0,0019 | 0,8790 | 0,0032 |
Таблица 8 - Активности компонентов в расплаве Fe – Si при Т=1873 К.
Лит. источник |
[17] |
[18] |
[19] |
[21] |
[22] |
[23] |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 | 0,00102 | 0,8795 | 0,00098 | - | 0,00115 | 0,8350 | 0,002 | 0,850 | 0,00158 | 0,8210 | 0,00006 | - |
0,2 | 0,00324 | 0,7130 | 0,00300 | - | 0,00716 | 0,3083 | 0,008 | 0,600 | 0,01000 | 0,6069 | 0,00040 | - |
0,3 | 0,01850 | 0,3936 | 0,01740 | - | 0,02763 | 0,3891 | 0,025 | 0,320 | 0,02860 | 0,3847 | 0,00189 | - |
0,4 | 0,11270 | 0,1542 | 0,10900 | - | 0,08300 | 0,2154 | 0,125 | 0,130 | 0,06050 | 0,1691 | 0,01004 | - |
0,5 | 0,34590 | 0,0601 | 0,34400 | - | 0,20330 | 0,1033 | 0,347 | 0,060 | 0,15450 | 0,0706 | 0,05250 | - |
0,6 | 0,51070 | 0,0382 | 0,50500 | - | 0,40490 | 0,0447 | 0,488 | 0,040 | 0,37860 | 0,0365 | 0,19400 | - |
0,7 | 0,62390 | 0,0267 | 0,63100 | - | 0,64000 | 0,0192 | 0,630 | 0,025 | 0,59580 | 0,0244 | 0,45100 | - |
0,8 | 0,74660 | 0,0155 | 0,74000 | - | 0,77370 | 0,0095 | 0,750 | 0,018 | 0,72960 | 0,0121 | 0,71700 | - |
0,9 | 0,87950 | 0,0060 | 0,88000 | - | 0,89060 | 0,0057 | 0,870 | 0,005 | 0,85950 | 0,0050 | 0,86600 | - |
Продолжение таблицы 8.
Термодинамические характеристики для железа получены путем вычислений, исходя из соответствующих характеристик кремния, по формулам, приведенным здесь ранее.
Для вычисления термодинамических характеристик используем основное уравнение (98).
В таблице
9 приведены
значения функции
,
вычисленные
по данным таблицы
8. На рисунках
(16 – 27) представлены
графики этой
функции, построенные
по данным таблицы
9. Точки, взятые
на графике в
«кружок», при
дальнейшей
математической
обработке не
учитывались.
5.2.2 Математическая обработка исходных литературных данных
Математическую обработку данных таблицы 9 производим в соответствии с уравнением (106) по методу наименьших квадратов. Требуется подобрать значения коэффициентов а и b в линейной функции, отображающей экспериментальные данные, приведенные в таблице 9 и на рисунках (16 – 27).
Проведенный анализ показал, что все рассматриваемые системы могут быть описаны уравнением:
(116)
Вычисленные
значения
приведены в
таблице 10. На
рисунках (16 –
27) пунктирными
линиями нанесены
значения
в соответствии
с уравнением
(120). Как следует
из уравнения
(116), значение
функции
при
равно нулю.
Следовательно,
основным критерием
отбора наиболее
достоверных
данных из
рассматриваемых
литературных
источников
является величина
.
Из таблицы 10 видно, что данные [23] явно выпадают из общего ряда данных, поэтому в дальнейших расчетах мы их не учитываем.
Считая
величину
случайной, для
следующего
этапа отбора
исходных данных,
построим гистограмму
(см. рисунок
28).
Таблица
9 – Значения
по
данным литературных
источников
лит. источник |
значение концентрации Si | ||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
[7] | -5,961 | -4,972 | -4,699 | -4,471 | -3,870 | -2,304 | -0,926 | -0,633 | -0,334 |
[10] | -4,830 | -4,845 | -4,632 | -4,368 | -3,726 | -1,126 | -1,295 | -1,781 | -2,020 |
[11] | -2,973 | -3,188 | -2,802 | -2,477 | -2,248 | -2,141 | -3,196 | -6,212 | -8,097 |
[12] | -5,568 | -5,733 | -5,547 | -4,967 | -4,134 | -3,245 | -2,545 | -2,020 | -1,230 |
[13] | -5,960 | -6,000 | -5,070 | -4,140 | -2,890 | -1,730 | -1,280 | -0,950 | -1,700 |
[14] | -5,658 | -5,928 | -5,599 | -5,884 | -4,508 | -2,888 | -2,051 | -2,289 | -2,361 |
[17] | -5,661 | -6,442 | -5,686 | -3,519 | -1,474 | -1,007 | -1,279 | -1,727 | -2,304 |
[18] | -5,710 | -6,550 | -5,810 | -3,610 | -1,500 | -1,080 | -1,150 | -1,950 | -2,250 |
[19] | -5,513 | -5,203 | -4,867 | -4,368 | -3,600 | -2,458 | -0,996 | -0,836 | -1,050 |
[21] | -1,711 | -4,681 | -5,071 | -3,231 | -1,461 | -1,291 | -1,171 | -1,613 | -3,390 |
[22] |
-5,121 |
-4,681 | -4,797 | -5,247 | -4,698 | -2,871 | -1,791 | -2,303 | -4,604 |
[23] | -9,159 | -9,710 | -10,341 | -10,236 | -9,015 | -7,057 | -4,885 | -2,738 | -3,851 |
/
Таблица
10 – Значения
,
вычисленные
по уравнению
(116)
Литературный источник |
Значение
|
Литературный источник |
Значение
|
[7] | -6,530 | [17] | -6,470 |
[10] | -6,086 | [18] | -6,580 |
[11] | -4,147 | [19] | -6,493 |
[12] | -7,409 | [21] | -5,495 |
[13] | -6,694 | [22] | -6,815 |
[14] | -7,720 | [23] | -13,639 |
На
этой гистограмме
по оси абсцисс
представлен
диапазон значений
величины
с интервалом
0,25. По оси ординат
мы откладываем
N
– число попаданий
значений
разных исследователей
в каждый интервал.
На основании
гистограммы
исключаем из
рассмотрения
данные следующих
литературных
источников:
[10], [11], [12], [14], [21], [22] и [23]. Дальнейшему
анализу подвергнем
данные из [7], [13],
[17], [18] и [19].
Вычислим
значение
в соответствии
с уравнением
(116) по средним
значениям аSi
(таблица 11) методом
наименьших
квадратов.
Имеем:
Требуется
определить
при известных
и
.
В соответствии
с методом наименьших
квадратов
запишем:
(117)
Откуда:
(118)
Литератур. источник |
aSi |
Концентрация кремния в расплаве xSi |
||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | ||
[7] |
a[7] |
0,00080 |
0,00830 |
0,03000 |
0,0800 |
0,1900 |
0,4150 |
0,6640 |
0,7800 |
0,8970 |
[13] |
a[10] |
0,00080 |
0,00430 |
0,02500 |
0,0900 |
0,2340 |
0,4550 |
0,6240 |
0,7700 |
0,8850 |
[17] |
a[12] |
0,00102 |
0,00324 |
0,01850 |
0,1127 |
0,3459 |
0,5107 |
0,6239 |
0,7466 |
0,8795 |
[18] |
a[11] |
0,00100 |
0,00300 |
0,01740 |
0,1090 |
0,3440 |
0,5050 |
0,6310 |
0,7400 |
0,8800 |
[19] |
a[8] |
0,00115 |
0,00716 |
0,02763 |
0,0830 |
0,2033 |
0,4049 |
0,6400 |
0,7737 |
0,8906 |
Средняя aSi |
0,00095 |
0,00520 |
0,02370 |
0,0949 |
0,2634 |
0,4581 |
0,6366 |
0,7621 |
0,8864 |
|
Si |
0,00950 |
0,00260 |
0,07900 |
0,2370 |
0,5270 |
0,7630 |
0,9090 |
0,9530 |
0,9850 |
|
lnSi |
-4,65600 |
-3,65000 |
-2,53800 |
-1,4390 |
-0,6410 |
-0,2700 |
-0,0950 |
-0,0490 |
-0,0150 |
|
Si |
-5,71900 |
-5,70300 |
-5,18000 |
-3,9960 |
-2,5640 |
-1,6870 |
-1,0550 |
-1,2130 |
-1,5230 |
По
образцу таблицы
2 строим таблицу
с исходными
данными для
вычисления
:
Таблица 12 – Исходные данные для вычисления по уравнению (118)
Численные значения |
|
|||||||||
|
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
4,5 |
|
0,01 |
0,04 |
0,09 |
0,16 |
0,25 |
0,36 |
0,49 |
0,64 |
0,81 |
2,85 |
|
-1,523 |
-1,213 |
-1,055 |
-1,687 |
-2,564 |
-3,996 |
-5,18 |
-5,703 |
-5,719 |
- - - |
|
-0,1523 |
-0,2426 |
-0,3165 |
-0,6748 |
-1,282 |
-2,3976 |
-3,626 |
-4,5624 |
-5,1471 |
-18,4623 |
По
данным таблицы
12 в соответствии
с выражением
(118) вычислены
значения
:
(119)
Теперь уравнение (116) можно записать в следующем виде:
(120)
Значение
,
вычисленное
по уравнению
(120) нанесены на
рисунок 29.
В соответствии с уравнением (120), можно вычислить значения аSi, т.е. скорректировать (см. таблицу 13) исходные литературные данные, представленные ранее, в таблице 11.
5.2.3
Вычисление
значений Аi,
Bi,
и
.
Термодинамические характеристики кремния
Термодинамические характеристики кремния вычислены из системы четырех уравнений типа (98) методом наименьших квадратов. В результате получено (при хSi 0):
|
|
Функция |
Концентрация кремния в расплаве - xSi |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
Si |
-6,478 |
-5,8110 |
-5,1650 |
-4,5200 |
-3,8740 |
-3,228 |
-2,583 |
-1,937 |
-1,291 |
-0,646 |
0,0 |
lnSi |
-6,478 |
-4,7070 |
-3,3060 |
-2,2150 |
-1,3950 |
-0,807 |
-0,413 |
-0,174 |
-0,052 |
-0,006 |
0 |
Si |
0,0015 |
0,0090 |
0,0370 |
0,1090 |
0,2480 |
0,446 |
0,662 |
0,840 |
0,950 |
0,994 |
1 |
aSi |
0,0000 |
0,0009 |
0,0073 |
0,0328 |
0,0992 |
0,223 |
0,397 |
0,588 |
0,760 |
0,894 |
1 |
|
|
|
|
Термодинамические
характеристики
кремния при
других его
концентрациях
рассчитываются
аналогичным
образом и приведены
в таблице 14. Для
сравнения в
этой таблице
даны, также,
усредненные
литературные
данные характеристик
и
.
Термодинамические характеристики железа.
Значения
коэффициентов
и
находим из
уравнения:
(121)
Получено:
,
.
Величины
и
определяем
из выражений:
(122)
(123)
Они
равны:
и
.
Отсюда вычисляются коэффициенты AFe и BFe:
AFe= -8,65, BFe= -5,438.
В таблице 14 представлены значения активности железа в расплаве Fe – Si, по данным разных авторов, а также среднее её значение и значение функции Fe .
Таблица 14 – Активность железа в выделенных работах, среднее её значение и некоторые другие термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Si.
Литератур. источник |
aFe |
Концентрация кремния в расплаве xFe |
||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | ||
[7] |
a[7] |
0,00080 |
0,00830 |
0,03000 |
0,0800 |
0,1900 |
0,4150 |
0,6640 |
0,7800 |
0,8970 |
[13] |
a[10] |
0,00080 |
0,00430 |
0,02500 |
0,0900 |
0,2340 |
0,4550 |
0,6240 |
0,7700 |
0,8850 |
[17] |
a[12] |
0,00102 |
0,00324 |
0,01850 |
0,1127 |
0,3459 |
0,5107 |
0,6239 |
0,7466 |
0,8795 |
[18] |
a[11] |
0,00100 |
0,00300 |
0,01740 |
0,1090 |
0,3440 |
0,5050 |
0,6310 |
0,7400 |
0,8800 |
[19] |
a[8] |
0,00115 |
0,00716 |
0,02763 |
0,0830 |
0,2033 |
0,4049 |
0,6400 |
0,7737 |
0,8906 |
Средняя aFe |
0,00095 |
0,00520 |
0,02370 |
0,0949 |
0,2634 |
0,4581 |
0,6366 |
0,7621 |
0,8864 |
|
Fe |
0,00950 |
0,00260 |
0,07900 |
0,2370 |
0,5270 |
0,7630 |
0,9090 |
0,9530 |
0,9850 |
|
lnFe |
-4,65600 |
-3,65000 |
-2,53800 |
-1,4390 |
-0,6410 |
-0,2700 |
-0,0950 |
-0,0490 |
-0,0150 |
|
Fe |
-5,71900 |
-5,70300 |
-5,18000 |
-3,9960 |
-2,5640 |
-1,6870 |
-1,0550 |
-1,2130 |
-1,5230 |
Для сравнения
литературных
данных и полученных
нами значений
Fe,
aSi,
,
сведем их в
таблицу 16.
По данным таблиц 15 и 16 построены рисунки 30 и 31.
Вывод: Рассмотрена возможность применения концентрационных уравнений для растворов с отрицательным отклонением от идеальности.
Функция |
Концентрация кремния в расплаве - xSi |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-6,4870 |
-5,81100 |
-5,1650 |
-4,5200 |
-3,8740 |
-3,2280 |
-2,5830 |
-1,9370 |
-1,2910 |
-0,6460 |
0,0 |
|
-6,4780 |
-4,70700 |
-3,3060 |
-2,2150 |
-1,3950 |
-0,8070 |
-0,4130 |
-0,1740 |
-0,0520 |
-0,0060 |
0,0 |
|
0,0015 |
0,00900 |
0,0370 |
0,1090 |
0,2480 |
0,4460 |
0,6620 |
0,8400 |
0,9500 |
0,9940 |
1,0 |
|
0,0000 |
0,00090 |
0,0073 |
0,0328 |
0,0992 |
0,2230 |
0,3970 |
0,5880 |
0,7600 |
0,8940 |
1,0 |
|
-167,4800 |
-128,91000 |
-97,0300 |
-70,9300 |
-49,8600 |
-33,1900 |
-20,390 |
-11,030 |
-4,7200 |
-1,1400 |
0,0 |
|
-35,5600 |
-29,98000 |
-24,7100 |
-19,7600 |
-15,2000 |
-11,0700 |
-7,4500 |
-4,4200 |
-2,0800 |
-0,5500 |
0,0 |
|
- - - - |
-5,71900 |
-5,7030 |
-5,1800 |
-3,9960 |
-2,5640 |
-1,6870 |
-1,0550 |
-1,2130 |
-1,5230 |
- - - |
|
0,0000 |
0,00095 |
0,0052 |
0,0237 |
0,0949 |
0,2634 |
0,4581 |
0,6366 |
0,7621 |
0,8864 |
1,0 |
Таблица 16 – Основные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Si при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-3,2120 |
-3,8400 |
-4,4620 |
-5,0860 |
-5,7190 |
-6,3690 |
-7,0430 |
-7,7500 |
-8,4990 |
-9,3010 |
-10,168 |
|
-3,2120 |
-3,1100 |
-2,8560 |
-2,4920 |
-2,0590 |
-1,5920 |
-1,1270 |
-0,6975 |
-0,3400 |
-0,0930 |
0,000 |
|
-0,0403 |
0,0446 |
0,0575 |
0,0827 |
0,1276 |
0,2035 |
0,3240 |
0,4978 |
0,7118 |
0,9112 |
1,000 |
|
0,0000 |
0,0045 |
0,0115 |
0,0248 |
0,0510 |
0,1017 |
0,1944 |
0,3485 |
0,5694 |
0,8201 |
1,000 |
|
-134,700 |
-113,22 |
-92,9700 |
-74,0900 |
-56,7500 |
-41,1600 |
-27,5700 |
-16,260 |
-7,6000 |
-2,0000 |
0,000 |
|
-42,2100 |
-34,590 |
-25,9000 |
-18,8400 |
-13,1800 |
-8,7400 |
-5,3500 |
-2,8800 |
-1,2300 |
-0,3000 |
0,000 |
|
--- |
-3,7850 |
-4,6050 |
-5,4560 |
-5,2610 |
-6,8330 |
-7,0860 |
-6,5790 |
-5,7510 |
-7,2690 |
--- |
|
0,0000 |
0,0047 |
0,0105 |
0,0207 |
0,0420 |
0,0906 |
0,1931 |
0,3872 |
0,6356 |
0,8369 |
1,000 |
5.3 Система W – Pd
Данная система характеризуется знакопеременным отклонением от закона Рауля для палладия.
5.3.1 Исходные данные.
В работе [20] активность вольфрама вычислялась по давлению его паров над расплавом по методу Кнудсена [3], активность вольфрама определялась графическим интегрированием уравнения Гиббса – Дюгема. В основу вычисления термодинамических характеристик палладия были положены данные по активности вольфрама.
Таблица 17 – Исходные данные для системы W – Pd при 1973 К [20].
Вольфрам |
Палладий |
||||||
xW |
aW |
W |
W |
xPd |
aPd |
Pd |
Pd |
0,1 | 0,05 | 0,5 | -0,8557 | 0,1 | 0,06 | 0,6 | -0,6306 |
0,2 | 0,11 | 0,55 | -0,9341 | 0,2 | 0,12 | 0,6 | -0,7982 |
0,3 | 0,17 | 0,5667 | -1,1592 | 0,3 | 0,23 | 0,7667 | -0,5423 |
0,4 | 0,23 | 0,576 | -1,5372 | 0,4 | 0,36 | 0,9 | -0,2927 |
0,5 | 0,31 | 0,62 | -1,9121 | 0,5 | 0,50 |
1,0 |
0,00 |
0,6 | 0,39 | 0,65 | -2,6924 | 0,6 | 0,67 | 1,1167 | 0,6897 |
0,7 | 0,50 | 0,7143 | -3,7386 | 0,7 | 0,78 | 1,1143 | 1,2024 |
0,8 | 0,63 | 0,7875 | -5,9723 | 0,8 | 0,87 | 1,0875 | 2,097 |
0,9 | 0,873 | 0,97 | -3,0459 | 0,9 | 0,918 | 1,02 | 1,9803 |
Суть метода
Кнудсена в
конечном счете
сводится к
определению
убыли массы
расплава, вследствие
испарения
вещества в
вакууме. При
использовании
этого метода
исследуемый
расплав помещают
в сосуд, в крышке
которого имеется
маленькое
отверстие с
точно измеренной
площадью. Убыль
массы вещества
связано с истечением
(эффузией) его
через отверстие
при постоянной
разности между
давлением
насыщенного
пара металла
при температуре
Р опыта
и остаточным
давлением при
вакуумировании
Рост
, пропорциональна
времени
и площади отверстия
S.
Если Р>>Рост.
, то можно записать:
(124)
здесь
-
коэффициент
испарения,
учитывающий
прежде всего
состояние
поверхности;
М – молекулярный вес испаряющегося металла.
Уравнение (124) известно как классическая формула Кнудсена и выведено на основании молекулярно – кинетической теории при следующих допущениях:
отсутствуют столкновения молекул между собой как в объеме эффузионной камеры, так и в области эффузионного отверстия;
длина свободного пробега частицы велика по сравнению с размерами эффузионного отверстия;
все атомы, попавшие в эффузионное отверстие, проходят через него, не изменяя направления движения, так как края отверстия бесконечно тонки.
Первые два условия обычно выполняются, если давление пара не превышает 1,3 – 13,3 Па, а радиус отверстия не более 1 мм.
По исходным
данным построим
графики функций
и
(рисунки 32 и 33). На
этих же рисунках
проведены
прямые линии,
полученные
путем обработки
первичных
литературных
данных в соответствии
с уравнением
прямой.
5.3.2 Корректировка исходных данных.
Приведем вычисление коэффициентов в уравнении прямой для вольфрама (таблица 18).
Таблица
18 – Необходимые
параметры для
вычисления
коэффициентов
в уравнении
прямой для
функции
.
Численные значения |
|
|||||||||
|
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 4,5 |
|
0,01 | 0,04 | 0,09 | 0,16 | 0,25 | 0,36 | 0,49 | 0,64 | 0,81 | 2,85 |
|
-0,8557 | -0,9341 |
-1,1592 |
-1,5372 | -1,9121 | -2,6924 | -3,7386 | -5,9723 | -3,0459 | -21,8475 |
|
-0,0856 | -0,1868 | -0,3478 | -0,6149 | -0,956 | -1,6154 | -2,617 | -4,7778 | -2,7413 | -13,9426 |
Вычисления:
.
Таким
образом, для
функции
получено выражение:
(125)
Уравнение
для
,
полученное
аналогичным
образом имеет
вид:
(126)
Исходные данные, скорректированные в соответствии с уравнением (125) приведены в таблице 19.
Таблица 19 – Скорректированные исходные данные для вольфрама.
|
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
|
-0,4183 | -0,9256 | -1,422 | -1,939 | -2,446 | -2,953 | -3,46 | -3,997 | -4,473 |
|
0,0712 | 0,1106 | 0,1487 | 0,199 | 0,2713 | 0,374 | 0,5127 | 0,6826 | 0,8606 |
По данным
таблицы 19 построим
рисунок 34, на
котором изображена
функция:
.
Из этого рисунка
получаем:
;
;
.
Коэффициент
отклонения
площади от
идеальности
равен:
.
Графическим методом определены:
и
.
Из уравнения:
,
определены:
и
.
Далее, по уравнению (98) вычислим другие термодинамические характеристики для компонентов расплава W – Pd.
5.1.3 Вычисление
значений Аi,
Bi,
и
.
|
|
|
|
|
|
|
|
Термодинамические характеристики палладия в расплаве W – Pd.
|
|
|
|
|
|
|
|
По приведенным термодинамическим характеристикам вычислим значения основных термодинамических характеристик компонентов в расплаве W – Pd при различных их концентрациях (таблицы 20 и 21).
По данным этих таблиц построены графики (рисунки 35 и 36).
Вывод: Показана применимость концентрационных уравнений для термодинамического описания бинарных металлических расплавов со знакопеременным отклонением от идеальности.
Функция |
Концентрация вольфрама в расплаве - xW |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
0,1286 |
-0,399 |
-0,918 |
-1,429 |
-1,934 |
-2,433 |
-2,927 |
-3,417 |
3,904 |
-4,389 |
-4,872 |
|
0,1286 |
-0,323 |
-0,587 |
-0,700 |
-0,696 |
-0,608 |
-0,468 |
-0,308 |
-0,156 |
-0,044 |
0,00 |
|
1,137 |
0,724 |
0,556 |
0,496 |
0,498 |
0,544 |
0,626 |
0,735 |
0,855 |
0,957 |
1,00 |
|
0,00 |
0,0724 |
0,1112 |
0,1489 |
0,1994 |
0,2722 |
0,3756 |
0,5147 |
0,6843 |
0,8614 |
1,00 |
|
-253,26 |
-207,76 |
-166,28 |
-128,97 |
-96,01 |
-67,57 |
-43,84 |
-25,00 |
-11,27 |
-2,86 |
0,00 |
|
-129,4 |
-102,6 |
-79,4 |
-59,5 |
-42,86 |
-29,20 |
-18,30 |
-10,10 |
-4,40 |
-1,10 |
0,00 |
Таблица 20 – Вычисленные термодинамические характеристики вольфрама в расплаве W – Pd при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация палладия в расплаве - xPd |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-1,823 |
-1,402 |
-0,977 |
-0,548 |
-0,115 |
0,325 |
0,770 |
1,223 |
1,684 |
2,153 |
2,633 |
|
-1,823 |
-1,135 |
-0,625 |
-0,269 |
-0,041 |
0,081 |
0,123 |
0,110 |
0,067 |
0,022 |
0,00 |
|
0,167 |
0,321 |
0,535 |
0,764 |
0,960 |
1,085 |
1,131 |
0,112 |
1,070 |
1,022 |
1,00 |
|
0,00 |
0,0321 |
0,107 |
0,2293 |
0,3838 |
0,5423 |
0,6787 |
0,7814 |
0,8557 |
0,9196 |
1,00 |
|
-229,61 |
-183,40 |
-142,92 |
-107,94 |
-78,20 |
-53,60 |
-33,87 |
-18,81 |
-8,25 |
-2,04 |
0,00 |
|
-101,2 |
-83,5 |
-67,2 |
-52,5 |
-39,3 |
-27,8 |
-18,2 |
-10,4 |
-4,7 |
-1,2 |
0,0 |
Таблица 21 – Вычисленные термодинамические характеристики палладия в расплаве W – Pd при Т=1873 К.
114
6 СИСТЕМЫ С РАЗЛИЧНЫМ ОТКЛОНЕНИЕМ ОТ ИДЕАЛЬНОСТИ
6.1 Системы с положительным отклонением от идеальности.
6.1.1 Система Fe – Mn.
Таблица 22 – Исходные данные для марганца.
Функция |
xMn |
||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
aMn [21] |
0,124 | 0,242 | 0,364 | 0,46 | 0,54 | 0,634 | 0,708 | 0,81 | 0,905 |
aMn [25] |
0,137 | 0,257 | 0,363 | 0,46 | 0,552 | 0,638 | 0,725 | 0,813 | 0,904 |
aMn [26] |
0,122 | 0,239 | 0,351 | 0,455 | 0,552 | 0,644 | 0,731 | 0,817 | 0,905 |
aMn средн. |
0,128 | 0,246 | 0,359 | 0,460 | 0,548 | 0,639 | 0,721 | 0,813 | 0,905 |
|
0,01 | 0,04 | 0,09 | 0,16 | 0,25 | 0,36 | 0,49 | 0,64 | 0,81 |
|
0,305 | 0,323 | 0,366 | 0,388 | 0,367 | 0,394 | 0,328 | 0,403 | 0,554 |
|
0,030 | 0,065 | 0,11 | 0,155 | 0,183 | 0,236 | 0,230 | 0,322 | 0,499 |
По этим данным
построим график
зависимости
функции
от концентрации
марганца в
расплаве (рисунок
37).
Корректировка данных.
Уравнение
прямой для
функции
будет выглядеть
так:
(127)
Таблица 23 – Скорректированные исходные данные для марганца.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
0,2842 | 0,304 | 0,323 | 0,342 | 0,362 | 0,381 | 0,400 | 0,420 | 0,439 | 0,458 | 0,478 |
|
0,00 | 0,128 | 0,246 | 0,355 | 0,456 | 0,550 | 0,640 | 0,727 | 0,814 | 0,904 | 1,00 |
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики марганца в расплаве Fe – Mn :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция |
Концентрация марганца в расплаве - xMn |
|||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | ||
р а с ч е т |
|
0,2842 |
0,304 |
0,324 |
0,343 |
0,363 |
0,382 |
0,401 |
0,421 |
0,440 |
0,459 |
0,478 |
|
0,2842 |
0,246 |
0,207 |
0,168 |
0,131 |
0,095 |
0,064 |
0,038 |
0,018 |
0,005 |
0,00 |
|
|
1,329 |
1,279 |
1,23 |
1,183 |
1,139 |
1,10 |
1,066 |
1,039 |
1,018 |
1,005 |
1,00 |
|
|
0,00 |
0,128 |
0,246 |
0,355 |
0,456 |
0,55 |
0,64 |
0,727 |
0,814 |
0,904 |
1,00 |
|
опыт |
|
- - - - |
0,305 |
0,323 |
0,366 |
0,388 |
0,367 |
0,394 |
0,328 |
0,403 |
0,554 |
- - - - |
|
0,00 |
0,128 |
0,246 |
0,359 |
0,460 |
0,548 |
0,639 |
0,721 |
0,813 |
0,905 |
1,00 |
Таблица 24 – Вычисленные термодинамические характеристики марганца в расплаве Fe – Mn при Т=1873 К.
Таблица 25 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Mn при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
|||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | ||
р а с ч е т |
|
0,3814 |
0,362 |
0,343 |
0,324 |
0,305 |
0,285 |
0,266 |
0,246 |
0,227 |
0,207 |
0,1877 |
|
0,3814 |
0,293 |
0,220 |
0,159 |
0,110 |
0,071 |
0,043 |
0,022 |
0,009 |
0,002 |
0,00 |
|
|
1,463 |
1,341 |
1,246 |
1,172 |
1,116 |
1,074 |
1,043 |
1,022 |
1,009 |
1,002 |
1,00 |
|
|
0,00 |
0,134 |
0,249 |
0,352 |
0,446 |
0,537 |
0,626 |
0,716 |
0,807 |
0,902 |
1,00 |
|
опыт |
|
н е т |
||||||||||
|
д а н н ы х |
6.1.2 Система Fe – Sn.
xSn |
олово |
железо |
средние значения |
|||||
aSn [27] |
aSn [28] |
aSn [29] |
aFe [27] |
aFe [28] |
aFe [29] |
|||
aSn |
aFe |
|||||||
0,1 | 0,415 | 0,350 | 0,540 | 0,91 | 0,920 | 0,910 | 0,435 | 0,913 |
0,2 | 0,70 | 0,680 | 0,750 | 0,825 | 0,860 | 0,830 | 0,710 | 0,838 |
0,3 | 0,89 | 0,870 | 0,870 | 0,780 | 0,790 | 0,755 | 0,877 | 0,782 |
0,4 | 0,91 | 0,920 | 0,920 | 0,755 | 0,760 | 0,760 | 0,917 | 0,758 |
0,5 | 0,925 | 0,930 | 0,930 | 0,760 | 0,760 | 0,760 | 0,928 | 0,760 |
0,6 | 0,915 | 0,930 | 0,930 | 0,760 | 0,750 | 0,760 | 0,925 | 0,757 |
0,7 | 0,93 | 0,940 | 0,940 | 0,750 | 0,745 | 0,750 | 0,937 | 0,748 |
0,8 | 0,97 | 0,955 | 0,960 | 0,710 | 0,710 | 0,720 | 0,962 | 0,713 |
0,9 | 0,98 | 0,970 | 0,975 | 0,675 | 0,620 | 0,675 | 0,975 | 0,657 |
железо |
олово |
||||||
xFe |
aFe |
|
|
xSn |
aSn |
|
|
0,1 |
0,657 |
6,570 |
2,324 |
0,1 |
0,435 |
4,350 |
1,815 |
0,2 |
0,713 |
3,565 |
1,986 |
0,2 |
0,710 |
3,550 |
1,980 |
0,3 |
0,748 |
2,493 |
1,865 |
0,3 |
0,877 |
2,923 |
2,189 |
0,4 |
0,757 |
1,892 |
1,772 |
0,4 |
0,917 |
2,292 |
2,305 |
0,5 |
0,760 |
1,52 |
1,675 |
0,5 |
0,928 |
1,865 |
2,474 |
0,6 |
0,758 |
1,263 |
1,461 |
0,6 |
0,925 |
1,542 |
2,705 |
0,7 |
0,782 |
1,117 |
1,231 |
0,7 |
0,937 |
1,339 |
3,240 |
0,8 |
0,838 |
1,047 |
1,160 |
0,8 |
0,962 |
1,202 |
4,610 |
0,9 |
0,913 |
1,014 |
1,434 |
0,9 |
0,975 |
1,083 |
8,004 |
Корректировка данных.
Уравнение
прямой для
функции
будет выглядеть
так:
(128)
Таблица 28 – Скорректированные исходные данные для железа.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
2,2937 | 2,166 | 2,039 | 1,911 | 1,784 | 1,656 | 1,529 | 1,402 | 1,274 | 1,147 | 1,019 |
|
0,0 | 0,578 | 0,737 | 0,765 | 0,760 | 0,757 | 0,766 | 0,794 | 0,842 | 0,910 | 1,00 |
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Sn :
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристики олова:
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 29 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Sn при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
2,2937 |
2,139 |
1,993 |
1,854 |
1,722 |
1,595 |
1,473 |
1,356 |
1,241 |
1,129 |
1,019 |
|
2,2937 |
1,732 |
1,275 |
0,908 |
0,620 |
0,399 |
0,236 |
0,122 |
0,05 |
0,011 |
0,00 |
|
9,912 |
5,654 |
3,579 |
2,480 |
1,859 |
1,490 |
1,266 |
1,13 |
1,051 |
1,011 |
1,00 |
|
0,0 |
0,565 |
0,716 |
0,744 |
0,743 |
0,745 |
0,760 |
0,791 |
0,841 |
0,910 |
1,00 |
|
42914 |
33377 |
25362 |
18702 |
13251 |
8886 |
5498 |
2993 |
1289 |
313 |
0,00 |
|
8,212 |
6,816 |
5,521 |
4,337 |
3,271 |
2,334 |
1,535 |
0,889 |
0,407 |
0,105 |
0,00 |
Функция |
Концентрация олова в расплаве - xSn |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
1,6154 |
1,735 |
1,859 |
1,988 |
2,121 |
2,262 |
2,409 |
2,564 |
2,790 |
2,906 |
3,095 |
|
1,615 |
1,406 |
1,19 |
0,974 |
0,764 |
0,565 |
0,385 |
0,231 |
0,109 |
0,029 |
0,00 |
|
5,03 |
4,078 |
3,287 |
2,648 |
2,146 |
1,760 |
1,470 |
1,260 |
1,115 |
1,029 |
1,00 |
|
0,0 |
0,408 |
0,657 |
0,795 |
0,859 |
0,880 |
0,882 |
0,882 |
0,892 |
0,927 |
1,00 |
|
35901 |
30002 |
24482 |
19379 |
14737 |
10606 |
7044 |
4117 |
1905 |
496 |
0,00 |
|
9,393 |
7,387 |
5,671 |
4,223 |
3,019 |
2,042 |
1,274 |
0,699 |
0,303 |
0,074 |
0,00 |
Таблица 30 – Вычисленные термодинамические характеристики олова в расплаве Fe – Sn при Т=1873 К.
6.1.3 Система Fe – Cr.
Исходные данные. Исходные данные взяты из литературного источника [18].
Функция |
Концентрация
хрома в расплаве
–
|
||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
|
5398 | 3989 | 3010 | 2436 | 2007 | 1529 | 1003 | 669 | 323 |
|
0,192 | 0,296 | 0,399 | 0,475 | 0,542 | 0,627 | 0,736 | 0,815 | 0,906 |
|
0,805 | 0,613 | 0,582 | 0,477 | 0,323 | 0,275 | 0,557 | 0,464 | 0,664 |
По этим данным
построим график
функции
(см. рисунок
44).
Корректировка данных. В процессе корректировки данных точки, обведенные не графике кругами, мы в расчет не принимаем.
Уравнение
прямой для
функции
:
(129)
Таблица 32 – Скорректированные исходные данные для хрома.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
0,875 |
0,771 | 0,668 | 0,564 | 0,461 | 0,357 | 0,253 | 0,150 | 0,046 | -0,057 | -0,161 |
|
0,00 | 0,187 | 0,307 | 0,396 | 0,472 | 0,547 | 0,625 | 0,710 | 0,801 | 0,899 | 1,00 |
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики хрома в расплаве Fe – Cr :
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристики железа:
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция |
Концентрация хрома в расплаве - xCr |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
0,875 |
0,768 |
0,663 |
0,558 |
0,453 |
0,349 |
0,246 |
0,144 |
0,042 |
-0,06 |
-0,161 |
|
0,875 |
0,622 |
0,424 |
0,273 |
0,163 |
0,087 |
0,039 |
0,013 |
0,002 |
-0,006 |
0,00 |
|
2,399 |
1,864 |
1,529 |
1,314 |
1,177 |
1,091 |
1,040 |
1,013 |
1,002 |
0,999 |
1,00 |
|
0,00 |
0,186 |
0,306 |
0,394 |
0,471 |
0,546 |
0,624 |
0,709 |
0,801 |
0,899 |
1,00 |
|
125519 |
100899 |
79122 |
60124 |
43845 |
30224 |
19202 |
10723 |
4731 |
1174 |
0,00 |
|
68,889 |
56,049 |
44,484 |
34,211 |
25,248 |
17,613 |
11,324 |
6,399 |
2,857 |
0,718 |
0,00 |
Таблица 34 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Cr при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
0,351 |
0,454 |
0,557 |
0,661 |
0,766 |
0,871 |
0,977 |
1,083 |
1,191 |
1,299 |
1,407 |
|
0,351 |
0,368 |
0,357 |
0,324 |
0,276 |
0218 |
0,156 |
0,097 |
0,048 |
0,013 |
0,00 |
|
1,42 |
1,444 |
1,428 |
1,383 |
1,317 |
1,243 |
1,169 |
1,102 |
1,049 |
1,013 |
1,00 |
|
0,00 |
0,144 |
0,286 |
0,415 |
0,527 |
0,622 |
0,701 |
0,772 |
0,839 |
0,912 |
1,00 |
|
120949 |
98674 |
78530 |
60564 |
44824 |
31358 |
20219 |
11459 |
5131 |
1293 |
0,00 |
|
70,466 |
56,813 |
44,683 |
34,053 |
24,905 |
17,216 |
10,969 |
6,142 |
2,718 |
0,676 |
0,00 |
6.2 Системы с отрицательным отклонением от идеальности.
6.2.1 Система Fe – Al.
Таблица 35 – Исходные данные по коэффициентам активности компонентов в растворе Fe – Al, при Т=1876 К.
Концентрация железа в расплаве – xFe |
|||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
|
0,011 | 0,042 | 0,124 | 0,234 | 0,337 | 0,550 | 0,733 | 0,875 | 0,968 |
|
0,946 | 0,820 | 0,682 | 0,525 | 0,376 | 0,266 | 0,184 | 0,118 | 0,081 |
железо |
алюминий |
||||||
xFe |
|
aFe |
|
xAl |
|
aAl |
|
0,1 |
0,011 | 0,0011 | -5,568 |
0,1 |
0,081 | 0,0081 | -3,103 |
0,2 |
0,042 |
0,0084 |
-4,953 |
0,2 |
0,118 |
0,0236 |
-3,339 |
0,3 |
0,124 |
0,0372 |
-4,260 |
0,3 |
0,184 |
0,0552 |
-3,455 |
0,4 |
0,234 |
0,0936 |
-4,035 |
0,4 |
0,266 | 0,1064 | -3,678 |
0,5 |
0,337 |
0,168 |
-4,351 |
0,5 |
0,376 |
0,188 |
-3,913 |
0,6 |
0,550 |
0,330 |
-3,736 |
0,6 |
0,525 |
0,315 |
-4,027 |
0,7 |
0,733 |
0,513 |
-3,451 |
0,7 |
0,682 | 0,477 | -4,253 |
0,8 |
0,875 |
0,70 | -3,338 |
0,8 |
0,820 |
0,656 |
-4,961 |
0,9 |
0,968 |
0,871 |
-3,252 |
0,9 |
0,946 |
0,851 |
-5,551 |
У
(130)
равнение прямой для функции
Таблица 37 – Скорректированные исходные данные для алюминия.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
-2,647 | -2,924 | -3,201 | -3,478 | -3,754 | -4,031 | -4,308 | -4,585 | -4,861 | -5,138 | -5,415 |
|
0,00 | 0,0094 | 0,0258 | 0,055 | 0,1035 | 0,183 | 0,301 | 0,463 | 0,659 | 0,855 | 1,00 |
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики алюминия в расплаве Fe – Al :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция |
Концентрация алюминия в расплаве - xAl |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-2,647 |
-2,927 |
-3,203 |
-3,478 |
-3,751 |
-4,023 |
-4,297 |
-4,572 |
-4,849 |
-5,130 |
-5,425 |
|
-2,647 |
-2,371 |
-2,050 |
-1,704 |
-1,305 |
-1,006 |
-0,688 |
-0,411 |
-0,194 |
-0,051 |
0,00 |
|
0,071 |
0,093 |
0,129 |
0,182 |
0,259 |
0,366 |
0,503 |
0,663 |
0,824 |
0,950 |
1,00 |
|
0,00 |
0,009 |
0,026 |
0,055 |
0,104 |
0,183 |
0,302 |
0,464 |
0,659 |
0,855 |
1,00 |
|
-113287 |
-93492 |
-75289 |
-58773 |
-44042 |
-31209 |
-20389 |
-11713 |
-5319 |
-1359 |
0,00 |
|
-38,477 |
-30,206 |
-23,153 |
-17,212 |
-12,289 |
-8,30 |
-5,170 |
-2,832 |
-1,227 |
-0,299 |
0,00 |
Таблица 39 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Al при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-4,026 |
-3,749 |
-3,475 |
-3,201 |
-2,927 |
-2,652 |
-2,376 |
-2,096 |
-1,813 |
-1,524 |
-1,229 |
|
-4,026 |
-3,037 |
-2,224 |
-1,568 |
-1,054 |
-0,663 |
-0380 |
-0,189 |
-0,073 |
-0,015 |
0,00 |
|
0,018 |
0,048 |
0,108 |
0,208 |
0,349 |
0,515 |
0,684 |
0,828 |
0,930 |
0,985 |
1,00 |
|
0,00 |
0,005 |
0,022 |
0,063 |
0,139 |
0,258 |
0,410 |
0,580 |
0,744 |
0,886 |
1,00 |
|
-125269 |
-99284 |
-76793 |
-57581 |
-41449 |
-28214 |
-17706 |
-9770 |
-4261 |
-1046 |
0,00 |
|
-33,409 |
-27,758 |
22,512 |
-17,703 |
-13,370 |
-9,551 |
-6,293 |
-3,648 |
-1,672 |
-0,432 |
0,00 |
6.2.2 Система Fe – Co.
Исходные данные.
Таблица 40 – Литературные данные по [31] при 1873 К.
xCo |
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
aCo |
0,05 | 0,10 | 0,17 | 0,23 | 0,325 | 0,44 | 0,58 | 0,74 | 0,89 |
aFe |
0,90 | 0,80 | 0,67 | 0,56 | 0,43 | 0,30 | 0,175 | 0,09 | 0,03 |
Концентрация компонента в расплаве – xi |
||||||||||
функция | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | |||||
|
Расч. |
Литер. |
Расч. |
Литер. |
Расч. |
Литер. |
Расч. |
Литер. |
Расч. |
Литер. |
|
0,82 | 0,96 | 0,89 | 0,97 | 0,96 | 0,98 | 0,98 | 0,99 | 1,0 | 1,0 |
|
0,74 | 1,01 | 0,9 | 1,02 | 0,95 | 1,03 | 0,98 | 1,04 | 1,0 | 1,0 |
|
0,890 | 0,930 | 0,950 | 0,985 | 1,00 | |||||
|
0,875 | 0,960 | 0,990 | 1,010 | 1,00 | |||||
|
0,178 | 0,372 | 0,570 | 0,788 | 1,00 | |||||
|
0,175 | 0,384 | 0,594 | 0,808 | 1,00 |
Таблица 42 – Средние значения aCo и aFe по данным литературных источников [31] и [11].
активность |
концентрация кобальта в расплаве - xCo. |
|||||||||
0,1 | 0,2 | 0, 3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | ||
[31] |
aCo |
0,050 | 0,1000 | 0,1700 | 0,230 | 0,3250 | 0,440 | 0,5800 | 0,740 | 0,890 |
aFe |
0,900 | 0,8000 | 0,6900 | 0,560 | 0,4300 | 0,300 | 0,1750 | 0,090 | 0,030 | |
[11] |
aCo |
0,080 | 0,1750 | 0,2700 | 0,384 | 0,4900 | 0,594 | 0,7500 | 0,808 | 0,910 |
aFe |
0,900 | 0,7880 | 0,6750 | 0,570 | 0,4900 | 0,372 | 0,2700 | 0,178 | 0,100 | |
средн. знач. |
aCo |
0,065 | 0,1375 | 0,2200 | 0,307 | 0,4075 | 0,517 | 0,6650 | 0,774 | 0,900 |
aFe |
0,900 | 0,7940 | 0,6825 | 0,565 | 0,4450 | 0,336 | 0,2225 | 0,134 | 0,065 |
По данным
таблицы 42 вычислим
значения функций
и
для компонентов
расплава Fe
– Co.
Эти вычисления
приведены в
таблице 43.
Таблица 43 – Обработанные исходные данные для системы Fe – Co.
железо |
кобальт |
||||||
xFe |
aFe |
|
|
xCo |
aCo |
|
|
0,1 |
0,065 | 0,650 | -0,532 |
0,1 |
0,065 | 0,650 | -0,532 |
0,2 |
0,134 |
0,670 |
-0,626 |
0,2 |
0,1375 |
0,687 |
-0,585 |
0,3 |
0,2225 |
0,742 |
-0,610 |
0,3 |
0,220 |
0,733 |
-0,633 |
0,4 |
0,336 |
0,840 |
-0,484 |
0,4 |
0,307 |
0,767 |
-0,735 |
0,5 |
0,445 |
0,890 |
-0,466 |
0,5 |
0,4075 |
0,815 |
-0,818 |
0,6 |
0,565 |
0,942 |
-0,376 |
0,6 |
0,517 |
0,862 |
-0,931 |
0,7 |
0,6825 |
0,975 |
-0,281 |
0,7 |
0,665 |
0,950 |
-0,570 |
0,8 |
0,794 |
0,9925 | -0,188 |
0,8 |
0,774 |
0,967 | -0,826 |
0,9 |
0,900 |
1,000 |
-0,000 |
0,9 |
0,900 |
1,000 |
-0,00 |
По данным
таблицы 43 построим
графики функций
и
(см. рисунок
51) на основании
которых принимаем
решение: дальнейшие
вычисления
проводить по
данным для
железа.
Корректировка данных.
Уравнение
прямой для
функции
:
(131)
Таблица 44 – Скорректированные исходные данные для железа.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
-0,7466 | -0,676 | -0,606 | -0,536 | -0,466 | -0,396 | -0,326 | -0,256 | -0,186 | -0,115 | -0,0453 |
|
0,00 | 0,058 | 0,136 | 0,231 | 0,338 | 0,453 | 0,570 | 0,684 | 0,794 | 0,839 | 1,00 |
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Co:
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристики кобальта:
|
|
|
|
|
|
|
|
Термодинамические характеристики компонентов, при различных их концентрациях, приведены в таблицах 45 и 46. По данным этих таблиц построены графики (рисунки 52 и 53)
Таблица 45 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – Co при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-0,747 |
-0,675 |
-0,604 |
-0,533 |
-0,463 |
-0,392 |
-0,322 |
-0,253 |
-0,183 |
-0,114 |
-0,0457 |
|
-0,747 |
-0,547 |
-0,387 |
-0,261 |
-0,167 |
-0,098 |
-0,052 |
-0,023 |
-0,007 |
-0,001 |
0,00 |
|
0,474 |
0,579 |
0,679 |
0,770 |
0,847 |
0,907 |
0,950 |
0,978 |
0,993 |
0,999 |
1,00 |
|
0,00 |
0,058 |
0,136 |
0,231 |
0,339 |
0,453 |
0,570 |
0,684 |
0,794 |
0,899 |
1,00 |
|
----- |
-0,532 |
-0,626 |
-0,610 |
-0,484 |
-0,466 |
-0,376 |
-0,281 |
-0,188 |
0,00 |
---- |
|
0,00 |
0,065 |
0,134 |
0,2225 |
0,336 |
0,415 |
0,565 |
0,6825 |
0,794 |
0,90 |
1,00 |
|
-126148 |
-101590 |
-79807 |
-60754 |
-44382 |
-30647 |
-19504 |
-10910 |
-4,822 |
-1199 |
0,00 |
|
-61,144 |
-49,694 |
-39,398 |
-30,267 |
-22,313 |
-15,548 |
-9,985 |
-5,636 |
-2,514 |
-0,631 |
0,00 |
Функция |
Концентрация кобальта в расплаве - xCo |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-0,393 |
-0,463 |
-0,534 |
-0,604 |
-0,675 |
-0,747 |
-0,818 |
-0,890 |
-0,963 |
-1,035 |
-1,1082 |
|
-0,393 |
-0,375 |
-0,341 |
-0,296 |
-0,243 |
-0,187 |
-0,131 |
-0,080 |
-0,039 |
-0,010 |
0,00 |
|
0,675 |
0,687 |
0,711 |
0,744 |
0,784 |
0,830 |
0,877 |
0,923 |
0,962 |
0,990 |
1,00 |
|
0,00 |
0,069 |
0,142 |
0,223 |
0,314 |
0,415 |
0,526 |
0,646 |
0,77 |
0,891 |
1,00 |
|
0,00 |
0,065 |
0,1375 |
0,220 |
0,307 |
0,4075 |
0,517 |
0,665 |
0,774 |
0,900 |
1,00 |
|
------ |
-0,532 |
-0,585 |
-0,633 |
-0,735 |
-0,818 |
-0,931 |
0,570 |
-0,826 |
0,00 |
----- |
|
-122620 |
-99866 |
-79342 |
-61082 |
-45127 |
-31514 |
-20282 |
-11474 |
-5128 |
-1289 |
0,00 |
|
-62,2 |
-50,2 |
-39,522 |
-30,151 |
-22,072 |
-15,274 |
-9,74 |
-5,46 |
-2,418 |
-0,602 |
0,00 |
6.2.3 Система Fe – V.
Таблица 47 – Исходные данные при Т=1873 К.
функция |
Концентрация железа в расплаве – xFe. |
||||||||
0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
aFe |
0,02 | 0,06 | 0,13 | 0,22 | 0,34 | 0,47 | 0,61 | 0,76 | 0,89 |
|
0,200 | 0,300 | 0,433 | 0,550 | 0,680 | 0,783 | 0,871 | 0,950 | 0,990 |
aV |
0,89 | 0,76 | 0,61 | 0,47 | 0,34 | 0,22 | 0,13 | 0,06 | 0,02 |
|
0,990 | 0,950 | 0,871 | 0,783 | 0,680 | 0,550 | 0,434 | 0,300 | 0,200 |
железо |
ванадий |
||||||
xFe |
|
aFe |
|
xV |
|
aV |
|
0,1 |
0,200 | 0,02 | -1,987 |
0,1 |
0,200 | 0,02 | -1,987 |
0,2 |
0,300 |
0,06 |
-1,881 |
0,2 |
0,300 |
0,06 |
-1,881 |
0,3 |
0,434 |
0,13 |
-1,707 |
0,3 |
0,434 |
0,13 |
-1,707 |
0,4 |
0,550 | 0,22 | -1,661 |
0,4 |
0,550 | 0,22 | -1,661 |
0,5 |
0,680 |
0,34 |
-1,543 |
0,5 |
0,680 |
0,34 |
-1,543 |
0,6 |
0,783 |
0,47 |
-1,526 |
0,6 |
0,783 |
0,47 |
-1,526 |
0,7 |
0,871 | 0,61 | -1,529 |
0,7 |
0,871 | 0,61 | -1,529 |
0,8 |
0,950 |
0,76 |
-1,282 |
0,8 |
0,950 |
0,76 |
-1,282 |
0,9 |
0,990 |
0,89 |
-1,117 |
0,9 |
0,990 |
0,89 |
-1,117 |
Уже из таблицы 48 становится очевидным, что термодинамические данные ванадия и железа абсолютно симметричны. Построим график функций i компонентов раствора (рисунок 54).
Продолжать расчеты будем по ванадию.
Уравнение
прямой для
функции
будет выглядеть
так:
Таблица 49 – Скорректированные исходные данные для ванадия.
|
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
|
-2,0615 | -1,965 | -1,869 | -1,773 | -1,677 | -1,581 | -1,485 | -1,389 | -1,293 | -1,197 | -1,101 |
|
0,000 | 0,0204 | 0,0605 | 0,1258 | 0,2187 | 0,3367 | 0,4731 | 0,6177 | 0,7597 | 0,8893 | 1,000 |
(132)
Термодинамические характеристики компонентов. Вычисленные термодинамические характеристики ванадия в расплаве Fe – V :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция |
Концентрация ванадия в расплаве - xV . |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-2,061 |
-1,957 |
-1,855 |
-1,756 |
-1,658 |
-1,561 |
-1,467 |
-1,373 |
-1,281 |
-1,190 |
-1,100 |
|
-2,061 |
-1,585 |
-1,188 |
-0,860 |
-0,597 |
-0,390 |
-0,235 |
-0,124 |
-0,051 |
-0,012 |
0,00 |
|
0,127 |
0,205 |
0,305 |
0,423 |
0,551 |
0,677 |
0,791 |
0,884 |
0,950 |
0,988 |
1,00 |
|
0,00 |
0,02 |
0,061 |
0,127 |
0,220 |
0,338 |
0,475 |
0,619 |
0,760 |
0,889 |
1,00 |
|
-71852 |
-57215 |
-44455 |
-33479 |
-24201 |
-16540 |
-10420 |
-5771 |
-2526 |
-622 |
0,00 |
|
-21,223 |
-17,364 |
-13,859 |
-10,720 |
-7,958 |
-5,584 |
-3,612 |
-2,054 |
-0,923 |
-0,233 |
0,00 |
Таблица 51 – Вычисленные термодинамические характеристики железа в расплаве Fe – V при Т=1873 К.
Функция |
Концентрация железа в расплаве - xFe |
||||||||||
0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | |
|
-1,569 |
-1,663 |
-1,758 |
-1,855 |
-1,953 |
-2,053 |
-2,155 |
-2,259 |
-2,365 |
-2,474 |
-2,585 |
|
-1,569 |
-1,347 |
-1,125 |
-0,909 |
-0,703 |
-0,513 |
-0,345 |
-0,203 |
-0,095 |
-0,025 |
0,00 |
|
0,208 |
0,260 |
0,325 |
0,403 |
0,495 |
0,599 |
0,708 |
0,816 |
0,910 |
0,976 |
1,00 |
|
0,00 |
0,026 |
0,065 |
0,121 |
0,198 |
0,299 |
0,425 |
0,571 |
0,728 |
0,878 |
1,00 |
|
-66298 |
-54519 |
-43743 |
-34017 |
-25391 |
-17918 |
-11657 |
-6667 |
-3014 |
-766 |
0,00 |
|
-22,358 |
-17,915 |
-14,004 |
-10,609 |
-7,713 |
-5,301 |
-3,358 |
-1,870 |
-0,823 |
-0,204 |
0,00 |
121
6 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ, ВЫВОДЫ
С целью выявления
общих закономерностей
для рассмотренных
выше бинарных
систем, обобщим
данные, полученные
нами в результате
термодинамического
анализа. Для
этого все
термодинамические
функции систем
сведем в таблицы
52 – 60. В этих же
таблицах приведены
уравнения
зависимости
функции
от концентрации
рассматриваемых
компонентов
в расплаве,
полученные
из данных итоговых
таблиц для
каждой системы.
На рисунке
56 представлены
графики вычисленных
нами функций
для рассмотренных
систем. Для
каждой системы
имеем две линии
-
и
.
Цифрами обозначены
точки пересечения
этих линий в
расплавах:
1-(Fe – Si); 2-(Fe – Al); 3-(Fe – V); 4-(Fe – Co); 5-(Pd – W); 6-(Fe – Mn); 7-(Fe – Cu); 8-(Fe – Cr) и 9-(Fe – Sn).
Таблица 52 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Si.
железо |
кремний |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 53 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Al.
железо |
алюминий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
железо |
ванадий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 55 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Co.
железо |
кобальт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 56 – Термодинамические характеристики компонентов системы W – Pd..
вольфрам |
палладий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 57 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Mn.
железо |
марганец |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 58 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Cr.
железо |
хром |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 59 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Cu.
железо |
медь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 60 – Термодинамические характеристики компонентов системы Fe – Sn.
железо |
олово |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как уже говорилось,
при
функция
по абсолютному
значению должна
убывать, и наоборот.
Сплошные линии
на рисунке 56
относятся к
компоненту
у которого
,
пунктирные
– к компоненту
с
.
Каждой точке
пересечения
линий соответствует
свое значение
.
Значения
в точках пересечения
обозначим
.
Таким образом,
приравняв друг
к другу уравнения
линейных функций
обоих компонентов
бинарного
раствора мы
найдем значения
концентраций
этих компонентов
в точках пересечения
графиков их
функций
.
Значения
концентраций,
соответствующих
точкам пересечения
графиков обозначим
.
Результаты
вычислений
и соответствующие
этим концентрациям
приведены в
таблице 61. Во
всех системах
прямые пересекаются
примерно при
одинаковых
значениях
.
В среднем
.
Система |
|
|
|
|
|
1-(Fe – Si) | 0,243 | -4,902 | -4,904 | -4,903 | 10,168 |
2-(Fe – Al) | 0,248 | -3,332 | -3,334 | -3,333 | 4,186 |
3-(Fe – V) | 0,249 | -1,822 | -1,822 | -1,822 | 1,485 |
4-(Pd – W) |
0,206 | -0,903 | -0,905 | -0,904 | 7,505 |
5-(Fe – Co) | 0,250 | -0,572 | -0,572 | -0,572 | 1,0625 |
6-(Fe – Mn) | 0,251 | 0,333 | 0,333 | 0,333 | 0,5903 |
7-(Fe – Cr) | 0,250 | 0,615 | 0,616 | 0,6155 | 1,568 |
8-(Fe – Cu) | 0,247 | 1,698 | 1,698 | 1,698 | 1,060 |
9-(Fe – Sn) | 0,246 | 1,980 | 1,979 | 1,9795 | 2,076 |
Средн. знач. | 0,243 |
Таблица 61 – обобщенные данные для рассматриваемых бинарных систем.
Построим
график в координатах
(см. рисунок
57). Из этого рисунка
видно, что
зависимость
между
и
может быть
описана в общем
виде уравнением
параболы второй
степени:
(133)
Вычислим значение коэффициента с в уравнении (133) методом наименьших квадратов. Формула для вычислений:
(134)
Таблица 62
– Расчетные
данные для
отрицательных
значений
.
функция |
Значения
|
|
|||
-4,903 | -3,999 | -1,822 | -0,572 | ||
|
24,039 | 11,109 | 3,320 | 0,327 | ----- |
|
557,890 | 123,410 | 11,020 | 0,107 | 692,427 |
|
10,168 | 4,186 | 1,485 | 1,0625 | ----- |
|
244,429 | 46,502 | 4,930 | 0,347 | 296,208 |
Таким образом,
для отрицательных
значений
имеем:
(135)
Для положительных
значений
составим такую
же таблицу.
Таблица 63
– Расчетные
данные для
положительных
значений
.
функция |
Значения
|
|
|||
0,333 | 0,6155 | 1,698 | 1,9795 | ||
|
0,111 | 0,379 | 2,883 | 3,918 | ----- |
|
0,012 | 0,1435 | 8,313 | 15,354 | 23,8225 |
|
0,2903 | 1,568 | 1,060 | 2,076 | ----- |
|
0,032 | 0,594 | 3,056 | 8,134 | 11,816 |
Для положительных
значений
имеем:
(136)
Вычислим
значения функции
по уравнениям
(135) и (136) и занесем
их в таблицу
64.
Таблица 64
– Значения
функции
.
|
-5,0 | -4,5 | -4,0 | -3,5 | -3,0 | -2,5 | -2,0 | -1,5 | -1,0 | -0, 5 | 0,0 |
|
10,70 | 8,667 | 6,848 | 5,243 | 3,852 | 2,675 | 1,712 | 0,963 | 0,428 | 0,107 | 0,00 |
|
0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 4,5 | 5,0 | --- |
|
0,124 | 0,496 | 1,116 | 1,984 | 3,100 | 4,464 | 6,076 | 7,936 | 10,044 | 12,40 | --- |
Значения
,
приведенные
в данной таблице,
нанесены на
рисунок 57.
Итак, в целом, по данной работе можно сделать следующие выводы:
1 – на примере систем с различными отклонениями от идеальности, нами доказана применимость уравнения (98), полученного автором работы [9], к нахождению всех термодинамических характеристик раствора, основываясь лишь на данных об активности (или какой-либо другой характеристике) одного из компонентов этой системы;
2 – опробован графический способ определения коэффициентов альфа и бета в концентрационном уравнении (98);
3 – расчеты
подтверждают
тот факт, что
точки пересечения
графиков функций
для обоих компонентов
во всех рассмотренных
нами бинарных
металлических
системах
соответствуют
концентрациям
компонентов
близким, в среднем,
к 0,245;
4 – нами показано,
что экспериментальные
данные в виде
точек в координатной
плоскости
ложатся на
кривую, описываемую
уравнением
параболы второй
степени. Однако,
как видно из
рисунка 57, знакопеременная
система W
– Pd
(точка 4) не описывается
ни уравнением
(135), ни (136). Причины
этого нам пока
не ясны. Вероятно,
это результат
недостаточной
корректности
исходных данных.
Руководитель: |
Воробьев Анатолий Александрович |
Исполнитель: |
Бородин Игорь Сергеевич студент группы ЭМ- 952 |
Бородин И.С. Термодинамические характеристики расплавов на основе железа: дипломная работа по специальности «Металлургия черных металлов» (110100), специализации «Электрометаллургия стали и ферросплавов» (110103). Новокузнецк, 2000. – 124 с. табл. 64, ил.57, источников 32, чертежей 10 листов.
Проведен подробный термодинамический анализ компонентов бинарных металлических растворов с различными отклонениями от закона Рауля, основанный на использовании концентрационных уравнений.
Опробован графический способ определения коэффициентов альфа и бета в указанных выше уравнениях, связывающих термодинамические функции компонентов раствора с их концентрацией.
На основании рассмотренных растворов выявлены некоторые закономерности, являющиеся справедливыми для всех бинарных металлических систем.
Исполнитель ___________________ Бородин И.С.
ANNOTATION
Borodin I.S. The thermodynamic characteristics molten solutions on the basis of iron: degree work on a speciality " Metallurgy of ferrous metals " (110100), specialization " Electrometallurgy of steel and ferroalloys " (110103). Novokuznetsk, 2000. - 124 p., Tab. 64, ill. 57, sources 32, drawings 10 of sheets.
The detailed thermodynamic analysis of components of binary metal molten solutions with various deviations from the Raul`s law, based on use of the concentration equations is carried out.
The graphic way of definition of factors alpha and beta in the mentioned above equations connecting thermodynamic functions of components of a solution to their concentration is tested.
On the basis of the considered solutions some laws being fair for all binary metal systems are revealed.
The executor____________________ Borodin I.S.
СОДЕРЖАНИЕ | |||
Введение _______________________________________________ | 7 | ||
1 Термодинамика растворов | |||
1.1 Основные понятия ____________________________________ | 8 | ||
1.2 Растворы ____________________________________________ | 13 | ||
2 Концентрационные уравнения для бинарных растворов с полной взаимной растворимостью | |||
2.1 Вывод концентрационных уравнений ____________________ | 31 | ||
2.2 Функция ___________________________________________ |
34 | ||
3 Определение коэффициентов альфа и бета | |||
3.1 Математический метод ________________________________ | 37 | ||
3.2 Графический метод ___________________________________ | 39 | ||
4 Использование
метода наименьших
квадратов
при расчете
функции
|
44 | ||
5 Подробный анализ применимости концентрационных уравнений для описания реальных систем с различным характером отклонений от закона Рауля | |||
5.1 Подробный анализ системы Fe – Cu _____________________ | 46 | ||
5.2 Подробный анализ системы Fe – Si ______________________ | 51 | ||
5.3 Подробный анализ системы W – Pd ______________________ | 69 | ||
6 Системы с различным отклонением от идеальности | |||
6.1 Системы с положительным отклонением от идеальности ____ | 78 | ||
6.2 Системы с отрицательным отклонением от идеальности ____ | 95 | ||
7 Обобщение результатов анализа, выводы _____________________ | 112 | ||
Список использованных источников ________________________ | 122 |
Вопросы теории растворов занимают важное место в термодинамике. Образование растворов существенно изменяет условия протекания химических реакций. Как и в природе, так и в технике постоянно приходится иметь дело с растворами, а не с чистыми веществами.
Химически чистые вещества представляют собой лишь предельное состояние, которое никогда в действительности не достигается. Получаемое в современной технике методами вакуумной и зонной плавок чистейшие металлы все же содержат ничтожные количества (10-6 %) примесей, главным образом металлоидов, и по существу являются растворами. [1]
Самое чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит примесей до нескольких тысячных долей процента. Можно считать, что основная разница между бессемеровской сталью и сталью, выплавленной в мартеновской печи, заключается в наличии в первой около 0,01% азота, влиянием которого на свойства стали нельзя пренебрегать. [2]
Химические реакции при выплавке чугуна и стали происходят в растворах. В доменных и сталеплавильных печах жидкие чугун и сталь взаимодействуют со шлаком – раствором окислов. [1]
Задача термодинамической теории расплавов состоит в том, чтобы связать различные свойства растворов и найти способы предсказания свойств растворов, исходя из свойств чистых компонентов. Однако, настоящее время, рассчитать изменение термодинамических функций в процессе сплавообразования, исходя из свойств исходных компонентов, не представляется возможным. Основным источником информации является экспериментальное исследование. [3]
В данной дипломной работе рассмотрена возможность расчета, на основании экспериментальных данных о концентрационной зависимости одной из термодинамических характеристик компонента, изменения остальных его свойств.
124
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. – Физическая химия. Издание 4-е, переработанное и дополненное. М.:Металлургия. 1987 г. – 542 с.
2 Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов: Пер. с англ., Н.Н. Сироты. – М.: Металлургиздат. 1960. – 582 с.
3 МорачевскийА.Г. Термодинамика расплавленных металлических и солевых систем. М.:Металлургия. 1987 г. – 239 с.
4 Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов. – 25 издание исправленное/ под редакцией В.А.Рабиновича. Л.:Химия. 1986 г. – 704 с.
5 Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: учебное пособие для вузов. – М.:Металлургия. 1988 г. – 288 с.
6 Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М.:Металлургия. 1987 г. – 272 с.
8 Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии. Справочник. М.:Металлургия. 1985 г. – 356 с.
9 Воробьев А.А. Связь термодинамических функций с концентрацией компонентов в бинарных металлических расплавах. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк. 1999. с. 89 – 91.
10 Физико-химические методы исследования металлургических процессов. / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников и др. – М.: Металлургия, 1988. – 509 с.
11 Новохватский И.А., Еремина М.И., Белова Б.Ф. Определение активностей компонентов в бинарных металлических сплавах по растворимости в них газов. // ЖФХ. 1975. 49. № 3. С. 628 – 630.
12 Петрушевский М.С., Гельд Р.В. к расчету термодинамических характеристик железокремнистых расплавов.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1969 г. №6. с.31 – 35.
13 Turdogan E.T., Yrieveson P. and Beisler J.F. Kinetic and Equilibrium Considerations for silicon reaction between silicate melts and graphite – saturated. Yron part 1: Reaction equilibrium // Transaction of the metallurgical society of AUME. 1963. v. 227. №6. p.1258 – 1265.
14 Срывалин И.Т., Есин О.А. Применение квазихимического метода к жидким железокремниевым сплавом // Изв. вузов. Черная металлургия. 1963 г. №5 с. 5 – 9.
15 Судавцова В.С., Баталин Г.И. Термодинамические свойства жидких сплавов эелеза с кремнием // Термодинамические свойства жидких сплавов. – Баку. ЭЛМ. 1975 с.151 – 154.
16 Nowakowski Jersy. Wspolczynniki aktywnosci skladnikow niektorych roztworow zawierajacych miedz.// Zesz nauk. AYH. 1974. №434. с. 137 – 151.
17 Sanbongi K. Ohtani M. Sci rep. Ynct. Tohocu univ., 1953, AS350. Цитируется по И.Т.Срывалину и О.Е.Есину. Применение квазихимического метода к жидким железокремниевым сплавам.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1963 г. №5. с.5 – 9.
18 Куликов И.С. Раскисление металлов. М.:Металлургия. 1975 г. – 504 с.
19 Судавцова В.С., Баталин Г.И., Ульянов В.И. Термодинамические свойства жидких сплавов железа с кремнием// Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1975 г. №1. с. 66 – 71.
20 Ватолин Н.А., Тимофеев А.И., Дубинин Э.А. Давление пара жидких сплавов на основе палладия.//Ж.Ф.Х. 1971. 45. №8. с.2078 – 2029.
21 Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с.
22 Korber F.,Oelsen W/ Mitt. K. – W. Ynst. Eisenforch., 1936. 18. s.109 – 130.
23 Хитрик С.И., Ростовцев С.Т., Емлин Б.И. и др. Активность кремния в ферросплавах.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1970 г. №6. с.55 – 61.
24 Судавцова В.С., Баталин Г.И., Ульянов В.И. Термодинамические свойства жидких сплавов Si c Fe //изв. АН СССР. Неорг.материалы,1975.№1 с.66–67
25 Steiler J–M., Ribound P., Onillon M. и др. Determination de l’activite thermodinamique des constituents du systeme Fe – Mn liquide par une metode d’entrainement // C.r. Acad. Sci. 1973. c.277, №22, 1207 – 1210.
26 Санбонги К., Отани М. Исследование активности сопутствующих элементов в жидком железе (III) // Тыцу то хогане. 1954. с.1106 – 1109.
27 Петрушевский М.С., Абрамычева, Гельд П.В. К термодинамике жидких растворов, характеризующихся большим отклонением от закона Рауля // Изв. вузов, черная металлургия 1973, №6, с.5 – 8.
28 Еременко В.Н., Лукашенко Г.М., Притула В.Л. Термодинамические свойства жидких сплавов олова с железом, кобальтом и никелем // Ж.Ф.Х. 1971, 45. №8, с.1993 – 1995.
29 Еременко В.Н., Лукашенко Г.М., Притула В.Л. Термодинамические свойства расплавов системы Fe – Sn.//Изв. АН СССР. Металлы. 1972, №1.с.99 – 102.
30 Баталин Г.И., Белобородова Е.А., Стукало В.А. и Гончарук Л.В. Термодинамические свойства жидких сплавов алюминия с железом // Ж.Ф.Х. 1971. №8. С.2007 – 2009.
31 Цемехман Л.Ш., Вайсбург С.Е., Широкова З.Ф. Активности компонентов в бинарных расплавах Fe – Ni, Fe – Co, Ni – Co.// Ж.Ф.Х. 1975. 45. №3, с.628 – 630.
32 Воробьев А.А. Характеристика отклонений реальных растворов от идеальности. // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк. 1999. С. 91 – 93.