第六章幻灯片冶金动力学基础

1,第六章冶金动力学基础,0前言,1化学反应的速率,3气相凝固相间气体吸附反应的动力学,2扩散传质、对流传质的速率,4液液（气液）反应的动力学模型双膜理论,5气固相反应的动力学模型,6新相核形成的动力学,2,0前言,热力学及动力学研究的内容反应的可能性及限度：热力学反应的速率和机理：动力学,动力学的分类微观动力学：只研究化学反应的机理及速率，从分子、离子角度。宏观动力学：在微观动力学基础上，考虑了传热传质等过程的总的化学反应速率及机理。,宏观动力学研究的反应类型均相反应：气相反应；液相反应。多相反应：反应在两相界面上进行。,3,1化学反应的速率,1.1基元反应及质量作用定律,1.1.1基元反应,反应物分子在碰撞过程中一步能生成生成物的反应，是反应的最基本类型。,1.1.2质量作用定律,基元反应的速率与反应物的浓度积成正比。,4,1.1.3化学反应的级数,基元反应：级数等于反应物的化学计量数之和。,1级1个分子的反应,2级2个分子的反应,3级3个分子的反应,非基元反应：反应只表示总的结果。,a若反应由若干基元反应组成，其中有一个基元反应的速率特别慢，则总反应速率等于最慢基元反应的速率。b若几个反应均较慢，总反应速率由这几个较慢反应共同确定，反应级数可能是分数、小数或整数。,5,1.1.4平衡常数与化学反应速率常数的关系,1.2化学反应速率的表示方法,用反应物或生成物浓度随时间的变化表示。,6,1.3基元反应的速率方程,零级反应,一级反应,n级反应,二级反应,7,1.4反应级数的确定方法,代入公式法：一般只用于基元反应。作图法：常用此法。半衰期法：,考察是否为一级反应,8,利用反应速率的微分式求反应级数。,9,1.5可逆反应的速率式,10,1.6温度对速度常数的影响,1.6.1Arrhenius公式,1.6.2活化能的物理意义,活化能表示活化分子超出反应分子平均能量的能量。恒容条件下恒压条件下,11,2扩散传质、对流传质的速率,2.1分子扩散及扩散系数,2.1.1Fick第一定律稳态扩散的规律,扩散方向上浓度梯度为常数任何垂直于扩散方向的扩散通量为常数任何一点的浓度不随时间变化,稳态扩散的特点,Fick第一定律表达式,12,2.1.2Fick第二定律非稳态扩散的速度方程,非稳态扩散的特点,扩散方向上浓度梯度不为常数任何垂直于扩散方向的扩散通量不为常数任何一点的浓度随时间变化,Fick第二定律表达式,13,一维非稳态扩散方程的解,例题：,14,2.1.3扩散系数D,气体中分子的D与T的关系：液体、固体中分子的D与T的关系：,D与T的关系,气体在有孔隙的块状物质中的扩散系数,15,2.2对流扩散及传质系数,2.2.1对流扩散,扩散分子的运动和流体的对流运动同时发生，使物质从一个地区迁移到另一个地区的共同作用。,速度边界层：浓度(扩散)边界层:有效边界层：,边界层理论,16,用边界层理论求传质系数,扩散速率的微分式:,扩散速率的积分式:,17,用表面更新理论求传质系数,表面更新理论(又称为溶质浸透模型)要点：a流体由许多体积元组成。b体积元受流体对流作用,从体积内部向界面迁移,在相界面上停留时,与之发生非稳态的扩散，经短时间后离开相界面，迁入流体内部,让位于另一个体积元。c扩散层厚度远小于体积元厚度，组分向体积元内的传质作为一维半无限扩散过程。,用表面更新理论求传质系数：,18,3气相凝固相间气体吸附反应的动力学,气体在相界面上的吸附分为两种：化学吸附：有化学键形成，吸附活化能在80KJ以上。物理吸附：仅有范德华力作用，吸附活化能20KJ在以下。,3.1气体被凝聚相吸附的速率,19,3.2讨论,3.3冶金中的应用：H2还原FeO,20,4液液（气液）反应的动力学模型双膜理论,4.1组成环节及速率方程的导出,准稳态原理：一个串联反应进行了一段时间后，各环节的速率经过互相调整，从而达到相等。,物质在相扩散到边界,物质在边界层发生化学反应,生成物离开反应界面扩散到相,21,22,4.2反应过程的速率范围,过程处于动力学范围，整个反应受化学反应速率的限制，一般在低温下。,过程处于扩散范围，扩散是反应的限制环节，一般高温下。,一般情况下，过程处于过渡范围。,23,4.3反应速率的影响因素,温度流体的物理性质,24,5气固相反应的动力学模型,气固相反应类型:固体()=固体()+气体碳酸盐、硫化物、氧化物的分解固体()+气体()=固体()+气体()氧化物间接还原,5.1未反应核模型(收缩核模型),气固相反应的动力学曲线反应速度随时间的变化曲线,气固相反应的动力学曲线的特点诱导期：反应在表面的活化中心进行,活化中心面积(反应面积)很小。自动催化期(反应界面形成即扩大期):随着反应的进行,反应面积不断增加,反应速度也不断增加。前沿汇合期(反应界面缩小期):每个活化中心反应界面相交,称为反应面的前沿汇合。此时反应速率最大,之后,由于反应面积减小,反应速率降低。,25,5.2区域化学反应(又称局部化学反应),定义：沿固体内部相界面附近区域发展的反应。,组成环节:,(1)气体在气相内的扩散，主要是通过边界层的扩散外扩散；(2)气体在固相内的扩散（已还原层的扩散）内扩散；(3)界面化学反应；(4)气体产物在固体内向外扩散；(5)气体产物在气相内向外扩散。,26,5.2.1界面化学反应成为限制性环节的速率式,反应度概念及关系式推导,27,5.2.2扩散成为限制环节的速率式,外扩散成为限制环节的速率式,28,内扩散成为限制环节的速率式,29,30,混合限制的速率式内扩散及界面化学反应均是限制环节,31,kDe，过程处于扩散范围，内扩散是限制性环节。kDe，过程处于过渡范围。,讨论：,32,6新相核形成的动力学,6.1均相形核动力学,33,6.1.1在什麽情况下，GV0？,34,6.1.2临界半径,35,6.2非均相形核动力学,36,误差函数曲线图,37,有一个钢件，含碳量为0.2%，980时用CO渗碳：2CO=C+CO2。若渗碳反应平衡时，钢件表面含碳量为1%，求渗碳3小时，距钢件0.05cm表面处的含碳量。