中科大炼钢原理课件02物理化学基本知识

一、组织教学、复习旧课，引入新课二、教学内容2.1.1物质的形态2.1.2物质的性质

小结与作业

2物理化学基本知识（第一讲）复习提问返回1.炼钢的基本任务是什么？2.炼钢的主要原料有哪些？3.炼钢原理的学科内容有哪些？2.1.1物质的形态返回炼钢过程中遇到的物质有三种聚集状态，常见的气态有：氧气、氩气、氮气；液态有：水、铁水、钢液、炉渣；固态有：各种渣料、废钢、合金料。2.1.2物质的性质1温度2密度3热容4表面张力返回1温度返回

温度是表征物体冷热程度的物理量。从分子运动论的观点来讲，温度是大量分子热运动平均动能的量度；物体的温度越高，组成物体的分子平均动能也越大。温度单位可采用国际温标或热力学温标。日常生活中用的是国际温标，也叫摄氏温标，单位标为℃，用符号t表示。热力学温标也称绝对温标或开尔文温标，单位标为K，用符号T表示，它与摄氏温标之间有如下关系：

T=t+273.15(2-1)式中：

T―开尔文温度，K，冶炼中考虑有效数字可以简化为T=t+273；

t―摄氏温度，℃

（1）密度的定义单位体积内物质的质量叫密度。用ρ表示，单位是kg·m-3。密度的倒数即单位质量物质所占的体积称为比容m3·kg-1。（2）密度的影响因素密度的影响因素有温度与成分。（特指液态、固态）大部分物质都有热胀冷缩性质，随着温度升高，密度降低，比容增大。轻合金元素C、Si、Mn、P、S、Al降低合金密度，重金属元素Ni、Cr、Cu、W增加合金密度。2密度返回3热容返回热容:一定量物质，温度升高1K所吸收的热量比热:1克物质温度升高1K所吸收的热量。单位:J·g-1·K-1。摩尔热容：1摩尔物质温度升高1K所吸收的热量。摩尔热容。单位：J·mol-1·K-1，通常热容多指摩尔热容而言，一般用符号C表示。同一物质在不同温度下热容值不同，一摩尔物质由温度T1升温到T2，吸热为Q时，其平均热容为：C=Q/(T2-T1)=Q/ΔT(2-2)炼钢所用的热容都是平均热容。4表面张力（1）表面张力的定义（2）表面张力的影响因素返回（1）表面张力的定义返回a作用在液体表面单位长度上顺沿着液体表面（与液体表面相切），并且促使液体表面缩小的力叫表面张力，用表示。其单位是N·m-1。b生成单位面积新表面所做的功为表面能，单位是J·m-2。从降低能量角度看，表明液体表面积总有自动缩小的趋势，在生活中的露珠，炼钢喷溅出的铁粒都呈球形。（2）表面张力的影响因素返回表面张力的大小与物质的本性、温度、成分有关。表面活性物质：能显著降低溶液的表面张力的物质。熔渣的表面活性物质有MnO、酸性物质、和铁的氧化物FeO、Fe2O3

等，钢液的表面活性物质是C、S、P等所有非铁元素。炼钢熔渣中SiO2、FeO含量高时，会使熔渣表面张力下降，形成泡沫渣；正常泡沫渣能增大反应表面积，使反应速度加快。非表面活性物质：对于不能降低液体表面张力的物质叫，如熔渣中的CaO、MgO、等。小结与作业小结：本次课的重点内容为物质的性质及其影响因素。作业：1.解释名词：热容、比热、摩尔热容、表面张力、表面活性物质、表面能。

2.表面张力的影响因素有哪些？炼钢熔渣的表面活性物质有哪些？形成泡沫渣有何好处？返回一、组织教学、复习旧课，引入新课二、教学内容2.1.2物质的性质2.1.3理想气体状态方程小结与作业

2物理化学基本知识（第二讲）复习提问返回1.解释名词：表面张力、表面活性物质、表面能。2.表面张力的影响因素有哪些？炼钢熔渣的表面活性物质有哪些？形成泡沫渣有何好处？2.1.2物质的性质1温度2密度3热容4表面张力5界面张力6粘度返回5界面张力下页

液体表面与其它物质接触面上产生的张力叫做界面张力。界面张力随接触物质的不同而改变，其大小取决于界面层分子受两相分子引力的差异，差异越大，界面张力也越大。表面张力的实质是液体与空气间的界面张力。5界面张力图2-2界面张力受力分析a—θ<90°;b—90°<θ<180°当液体与固体接触时，在固体表面形成液滴附着层，其分子受力情况见图2-2。就是液体与固体之间的界面张力；下页5界面张力是液体的表面张力；

是固体与气体的界面张力。水平方向的合力为零，可以得出：

θ为接触角，可在0～180º之间变化。固体或液体表面对其它液体介质吸着现象叫吸附作用，吸附作用又叫润湿。

下页

固体与液体之间界面张力越小，接触角越小，润湿也越好，越不易分离。在冶炼过程为了加速熔渣和钢液的化学反应，应减小界面张力。碱性氧化渣中的表面活性物质FeO，碱性还原渣中的CaC2，增大界面张力。对于钢包渣改质剂，应选择界面张力小以利化学反应，随反应进行界面张力迅速增大的渣系。

5界面张力返回6粘度（1）粘度的定义（2）粘度的影响因素返回（1）粘度的定义返回粘度是液体内部各液体层相对运动所产生内摩擦力大小的体现。静力学粘度用η表示，其单位是Pa·s。运动粘度，用υ表示，单位是二者的关系为：流动性：与粘度互为倒数，流动性用Φ表示，有：（2）粘度的影响因素返回

液体粘度的影响因素有：成分、温度和均匀性。钢液中的Si、Mn、P、S、Al等元素降低粘度，而O、N等元素增加粘度，对于C来说，在0.15%以上对钢液粘度没有明显影响，在0.15%以下，随C含量增加，钢液中O浓度降低，粘度降低；Ni、Co、Cr等元素基本不影响粘度。在其它条件相同的情况下，随着温度升高，粘度下降；当钢液中存在高熔点固态夹杂物，粘度会增高。酸性熔渣粘度较小，且随温度升高变化不大，在1450℃以下，酸性渣粘度较小，所以连铸保护渣基本采用酸性渣或中性渣；碱性熔渣粘度较大，且随温度升高降低很快。此外，高熔点颗粒如、MgO、C颗粒等会显著增加碱性熔渣的粘度。2.1.3理想气体状态方程现实中没有理想气体，理想气体是一种科学的抽象，只是在低温或高压下真实气体比较接近理想气体，可当作理想气体来处理。常见的氧气、氮气、氩气都接近理想气体。把混合气体当作一种气体看待时也可以应用气体状态方程。返回理想气体是一种假想状态，即假设：气体分子间作用力为零，气体分子本身所占的体积忽略不计。小结与作业小结：本次课的重点内容为界面张力、表面张力对炼钢的影响及它们的影响因素。作业：1.为什么出钢前减少渣中FeO含量？

2.分析影响钢液粘性的因素。返回一、组织教学、复习旧课，引入新课二、教学内容2.2物理化学的基本概念2.3炼钢热效应小结与作业

2物理化学基本知识（第三讲）复习提问返回1.为什么出钢前减少渣中FeO含量？2.分析影响钢液粘性的因素。2.2物理化学的基本概念返回2.2.1系统和环境2.2.2相2.2.3能量2.2.1系统和环境返回1系统把所研究的对象称为系统。2环境在系统以外，和系统密切相关的物质称为环境。例如钢水为系统，则炉渣、炉衬、炉气为环境；如钢水、炉渣为系统，则炉衬、炉气为环境。注意：系统与环境之间不一定有真实界面。2.2.2相返回系统中物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间有明显的分界面，用机械方法可以分开。例如：一杯水，杯中各部分的物理和化学性质都相同，因此无论水量是多少，它为一相；当水中加入几块冰，虽然它们的化学性质相同但物理性质不同，所以该系统为水和冰两相。2.2.3能量下页1内能热现象中分子动能、势能、分子内部的各种能量的总和统称为内能。一般它随系统的温度升高而增大。内能的单位用焦耳(J)或千焦(kJ)表示。2热量热量是指热传递中系统吸收或放出的能量。当系统不发生状态变化时，可以说有多少内能，而不能说有多少热量。热量的单位也用焦耳(J)或千焦(kJ)表示。2.2.3能量下页（1）生成热在一定条件下，由稳定单质生成1摩尔化合物的反应热效应，就称为该化合物的生成热。用表示，单位为J/mol或kJ/mol注意：规定稳定单质的生成热为0。在标准状态下测定的生成热叫做标准生成热。用符号表示，右下标i指i物质，而外压对热效应的影响也很小，使用时往往不加右上标Θ。2.2.3能量返回（2）相变热：在一定温度下，物质相变所吸收或放出的热叫相变热，又称潜热。它的单位为(千)焦/摩尔(J/mol或kJ/mol)。（3）溶解热：在标准状态下，一定量的物质溶于一定量的溶剂中所产生的热效应叫做溶解热。溶解热大小与溶剂的数量、溶质的数量、温度、外压等因素有关。炼钢中常用的溶解热是指1摩尔的其它元素溶于纯铁液中所吸收或放出的热量。由于溶解热的存在，炼钢过程中加入的各种造渣剂及合金元素等都能影响炉温，因而在炼钢中必须考虑。2.3炼钢热效应返回2.3.1炼钢化学反应的热效应2.3.2热化学方程式2.3.3盖斯定律2.3.1炼钢化学反应的热效应返回一个化学反应的生成物与反应物温度相同时，反应过程中放出和吸收的热量称为化学反应热效应，也称为反应热。温度用热力学温度衡量，炼钢中常用1873K(1600℃

)热效应数值。化学反应热效应单位为焦耳(J)或千焦(kJ)。规定吸热为正值，放热为负值。等容热效应、等压热效应。炼钢中常用等压热效应数值。2.3.2热化学方程式返回1热化学方程式的定义：2热化学方程式的书写规定：(1)在参加反应的各物质后面注明其聚集状态，并用括号括上；其中s、l、g分别表示固体、液体、气体。炼钢中用[]表示金属溶解相，()表示渣中溶解相，{}代表气相。(2)规定吸热为正值，放热为负值。(3)参加反应的物质的量要注明，即反应式要配平；(4)注明反应进行时的温度与外压，反应温度在ΔH右下角，反应外压在ΔH右上角，将反应热效应数值注在对应的化学方程式后。2.3.3盖斯定律1盖斯定律的定义化学恒压热效应只取决于反应的始末态，与过程无关。盖斯定律是能量守恒定律在物理化学中的应用。例如：石墨碳完全燃烧成｛｝，可以通过两条不同途径实现：途径1：一步完成，石墨碳完全燃烧生成｛｝，热效应为途径2：两步完成，石墨碳不完全燃烧生成｛CO｝，然后CO继续燃烧生成｛｝，根据盖斯定律有：=+

下页2.3.3盖斯定律返回2盖斯定律的应用将热化学反应方程式当代数式处理，进行加减、系数乘除、移项和合并同类项，求出指定的化学反应方程式后，反应热也按同样的方法求出。这样通过已知的反应计算得到未知或无法测出的热效应数值。小结与作业小结：本次课的重点为溶解热、相变热、反应热及热化学方程式的书写、盖斯定律。作业：1.已知25℃时下列反应的热效应：C+=2COC+=求反应C+1/2=CO在25℃时的热效应。2.解释名词：系统、环境。3.书写热化学方程式的注意事项有哪些？返回一、组织教学、复习旧课，引入新课二、教学内容2.4化学反应速度2.5化学平衡小结与作业

2物理化学基本知识（第四讲）复习提问返回1.解释名词：系统、环境。2.书写热化学方程式的注意事项有哪些？2.4化学反应速度返回2.4.1化学反应速度的定义2.4.2

化学反应速度变化的特点2.4.3影响反应速度的因素2.4.1化学反应速度的定义返回以单位时间内反应物浓度的减少量，或生成物浓度的增加量来表述化学反应速度。即或。式中：ΔC―浓度变化值(mol/l)Δt―变化所需的时间(sec)。2.4.2化学反应速度变化的特点返回(1)规定反应速度总是正值。(2)整个反应过程反应速度并不是恒定的，开始时反应速度最快，随反应物的消耗逐渐减小。计算时用平均反应速度表示。(3)同一反应按不同物质浓度计算，反应速度值不同，但反应速度值之间有一定比例。2.4.3影响反应速度的因素下页影响化学反应速度的因素有反应物浓度、温度、外压和催化剂。1.反应物浓度：化学反应速度与各反应物浓度之间的关系符合质量作用定律,即化学反应速度与各反应物浓度的幂次方的乘积成正比。如有一基元反应，其反应式：aA+bB＝cC+dD反应速率方程式为只与温度有关；对于基元反应各浓度的幂指数等于反应方程式中各反应物前的系数，但多步反应幂指数不一定是反应物前系数。2.4.3影响反应速度的因素返回2.温度温度升高，使反应物分子的运动速度增加，碰撞的机会更多，有利于加快反应速度。3.外压对气体而言，其浓度可用体积摩尔分数表示为，代入式得，所以有气态反应物的化学反应，外压升高，相当于增加反应物浓度，反应速度加快；4.催化剂：通常指能极大地加快反应速度的物质。2.5化学平衡返回2.5.1可逆反应与化学平衡2.5.2化学平衡常数

2.5.3化学平衡的移动2.5.4分解压2.5.1可逆反应与化学平衡返回某可逆反应时，此时生成物与反应物浓度保持不变，反应处于化学动平衡状态。2.5.2化学平衡常数返回1平衡常数表达式在一定温度T下，反应aA+bB=cC+dD达到平衡时，由质量作用定律有：

K=K称为该反应在温度T时的平衡常数。在数值上等于一定温度下，可逆反应达到平衡时，生成物浓度的幂次方乘积与反应物浓度的幂次方乘积的比值。2.5.2化学平衡常数2平衡常数的特点化学反应平衡常数有以下特点：(1)对某一化学反应平衡常数只与温度有关，温度相同，则平衡常数恒定；(2)不同化学反应，平衡常数不同。(3)化学反应未达到平衡，只有浓度商，没有平衡常数。(4)平衡常数越大，说明生成物浓度越高，正向反应进行的越彻底；反之，正向反应进行越困难。(5)反应式反向，同一温度下平衡常数取倒数。(6)反应式中固态物质及液态溶剂的浓度取为1，平衡常数表达式中可以不表示其浓度。(7)有气态物质参加的化学反应，平衡常数也可用气体分压表示，平衡常数符号用，浓度平衡常数符号用。返回