|
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Курсовая: физхимия
Курсовая: физхимия
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Магнитогорский государственный технический университет
Им. Г.И. Носова
Кафедра технологии неметаллических материалов и
физической химии
РАСЧЕТНО – ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №2
по дисциплине «Физическая химия»
раздел «Фазовые равновесия в двухкомпонентных металлических системах»
вариант №
Выполнил:
Студент гр. 1106 ________
Проверил:
Доцент, канд. техн. наук ____________ Э.В. Дюльдина
Магнитогорск
2003
1. Формулировка задания
Задача 1
Вычертить диаграмму фазового равновесия железа.
а) Отметить на диаграмме поля устойчивости фаз.
б) Применить правило фаз в системе, находящейся при температуре t и давлении Р
1 (точка «а»). Результат пояснить.
г) Изобразить под диаграммой (с таким же масштабом по оси температур и
произвольным – по оси времени) схематичный вид кривой в координатах
время-температура, пояснив, какие процессы будут происходить при изменении
температуры от t1 до t2 в изобарных условиях.
Задача 2
б) С помощью диаграммы, построенной в координатах lnN -1/T, определить
теплоты плавления чистых веществ А и В и сравнить их со справочными
значениями. Для расчета воспользоваться диаграммой фазового равновесия
системы А-В, приведенной в прил. 5 (методические указания). На каждой ветви
ликвидуса взять значения составов жидкого расплава при 6-8 различных
температурах. Считать, что жидкий расплав – идеальный раствор.
Задача 3
Вычертить диаграмму состояния системы Д-F в координатах температура-состав
(в масс. %).
а) Указать, есть ли в системе химические соединения, их число, характер
плавления, химический состав и простейшие формулы.
б) Отметить линии ликвидуса, солидуса. Определить поля устойчивости фаз.
в) Указать, есть ли в системе линии безвариантных равновесий и каким
температурам они отвечают? Определить составы равновесных фаз и написать
уравнения превращений, протекающих при отводе тепла при каждой из указанных
на диаграмме температурах, отвечающих безвариантным равновесиям.
г) Проследить за изменением фазового состояния сплавов, содержащих А и Б (%)
вещества F соответственно при понижении температуры от t10 до t
11.
д) Изобразить (справа о диаграммы с одинаковым масштабом по температуре)
схематический вид кривых охлаждения этих сплавов (масштаб по оси времени
произволен).
е) Рассчитать массу жидкой фазы и количество вещества F в ней, если общая масса
системы Nкг, температура t12, а суммарное содержание
F в смеси фаз в %.
ж) Схематично изобразить вид изотермы в координатах энергия Гиббса – состав при
температурах t13 и t14.
2. Исходные данные
Задача 1
Вариант | Температура, °С | Давление, Па | Т1 | Т2 | Р1 | Р2 | 33 | 1500 | 2100 | 10 | --- |
Задача 2
Вари- ант | Вещества | Температура, °С | Рисунок | А | В | Т3 | Т4 | Т5 | Т6 | Т7 | Т8 | Т9 | 33 | Al | Be | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | 7 |
Задача 3
Вари- ант | Вещества | Состав, масс. % | Температура, °С | Масса сплава N | Рису-нок | Д | F | а | б | в | t10 | t11 | t12 | t13 | t14 | 33 | Bi | Pt | 40 | 80 | 80 | 1400 | 200 | 800 | 1200 | 730 | 89 | 68 |
3. Решение задания
3.1. Задача 1
а) На поле диаграммы можно выделить αТВ, γТВ
δТВ, Ж, Г – каждое из которых является полем устойчивости фаз.
αТВ – твердая фаза с объемоцентрированной решеткой (ОЦК)
γТВ – твердая фаза с гранецентрированной решеткой (ГЦК)
δТВ – твердая фаза с объемоцентрированной решеткой (ОЦК)
Ж – жидкая фаза
Г- газообразная фаза железа
αТВ, γТВ δТВ – отличаются друг
от друга лишь модификациями кристаллических решеток.
Температура плавления железа равна 1539±5 °С. Железо образует 3
кристаллические модификации: α – железо, γ – железо, δ –
железо.
α – железо термодинамически устойчиво при температуре ниже 911 °С;
γ – железо – от 911 до 1392 °С;
δ – железо - от 1392 °С до 1539 °С.
Линии на диаграмме показывают условия, при которых в системе в равновесии
находятся 2 фазы:
АО1 – в равновесии находятся – газообразная и αТВ фазы;
О1О2 – в равновесии γТВ и газообразная фаза;
О2О3 – в равновесии δТВ и газообразная фаза;
О3В – в равновесии жидкая и газообразная фазы;
О1С – в равновесии находятся две твердые фазы: αТВ и γТВ;
О3Д – в равновесии две твердые фазы γТВ и δТВ;
О3Г – в равновесии δТВ фаза и жидкая.
Точки на диаграмме (О1, О2, О3) показывают
условия, при которых в системе три фазы находятся в равновесии.
О1: αТВ, γТВ, Г
О2: γТВ, δТВ, Г
О3: δТВ, Ж, Г.
б) Применим правило фаз в системе, находящейся при температуре t
1 = 1500 °С и давлении Р1 = 10 Па.
Lg P1/P° = Lg 10/101325 = - 4,006 (точка «а» на диаграмме).
При температуре t1 = 1500 °С и давлении р1 = 10 Па точка
«а» находится в гомогенном поле твердой фазы δ – железа. Ф=1; С=2. Система
имеет две степени свободы. Это означает, что независимо друг от друга можно
изменить в известных пределах значения двух параметров (температуры и давления)
и при этом будет существовать одна фаза. Такому условию удовлетворяет
поле гомогенности δ – железо.
г) Рассмотрим процессы, которые будут происходить в системе при повышении
температуры от 1500 °С до 2100 °С в изобарных условиях при Р1
=10 Па = const.
При t1 = 1500°С и Р1 = 10 Па точка «а» находится в
гомогенном поле твердой фазы δ – железа. Ф=1; С=1. При повышении
температуры до пересечения точки «а» с линией FО3 происходит
обращение δ – железа в расплав. Повышение температуры приостанавливается.
С=0; Ф=2. Все подводимое тепло расходуется на разрушение кристаллической
решетки.
По завершении перехода все δ – железо обратилось в расплав, вновь
появляется степень свободы. Ф=1; С=1. Температура вновь повышается. При
повышении температуры до пересечения точки «а» с линией ВО3
происходит обращение расплава железа. С=0; Ф=2. Нагревания системы не
происходит. По завершении перехода все расплавленное железо обратилось в пары
железа. Вновь появляется степень свободы. Возобновляется нагревание системы.
При температуре t2=2100 °С точка «а» находится в гомогенном поле
газообразной фазы IIг. Ф=1; С=1.
3.2. Задача 2
Определим графически температуру плавления Be и сравним ее со справочным
значением, предположив, что расплав Al-Be является идеальным (рис. 3).
На диаграмме фазового состояния системы Al-Be ветвь ликвидуса - АЕ – это
линия насыщения расплава кристаллами Ве.
Для графического определения теплоты плавления Ве возьмем на линии АЕ несколько
точек и найдем для них значения lgNBe и 1/Т (табл.1).
Таблица 1.
Составы расплавов алюминий-бериллий, насыщенных бериллием при различных
температурах.
Содержание в сплаве | Температура | 103/T К-1 | ат. % | N | - lgN | °С | K | 95 | 0,95 | 0,02 | 700 | 973 | 1,03 | 90 | 0,9 | 0,05 | 850 | 1023 | 0,98 | 70 | 0,7 | 0,15 | 1050 | 1323 | 0,76 | 60 | 0,6 | 0,22 | 1100 | 1373 | 0,73 | 45 | 0,45 | 0,35 | 1150 | 1423 | 0,70 | 25 | 0,25 | 0,6 | 1200 | 1473 | 0,68 |
По данным табл. 1 построим график в координатах LgN -1/T (рис.4). На нем
выбранные точки располагаются вблизи прямой линии. Ее угловой коэффициент
найдем по координатам точек «а» и «б».
tg α = - ∆Нпл.1/ R 2,3
tg α = ((- 0,25 –(-0,05)) / (0,66-1,00))*103 = (-0,2/0,34)*103 = - 588
∆Нпл Ве = - tg α * R*2,3 = 588 - 8,31 * 2,3 = 12238 (Дж/моль)
Справочное значение плавления ∆Нпл Ве = 14700 (Дж/моль), что
удовлетворительно совпадает с полученным результатом.
3.3. Задача 3
а) На диаграмме состояния системы Bi-Pt (рис.5) имеются два химических
соединения Bi2Pt и BiPt.
1. Химическое соединение Bi2Pt (состав 31,82 масс. % Pt) – плавится
инконгруэнтно – на линии ликвидуса нет максимума. Температура плавления Bi
2Pt tпл = 660 °С.
2. Химическое соединение BiPt (состав: 48,28 масс.% Pt) плавится конгруэнтно –
на линии ликвидуса есть максимум. Температура плавления BiPt tпл =
770 °С.
б) линия ликвидуса ТА0Е1Р1М1Е2ТВ0;
линия солидуса ТА0NВСДЕFGТВ0.
Выше линии ликвидуса находится гомогенное поле жидкой фазы Iж. Все остальные
поля на диаграмме – гетерогенные.
1. Гетерогенные поля смеси жидкой фазы и кристаллов:
ж + Bi; ж + М2; ж + М1; ж + М1; ж + Pt
2. Гетерогенные поля смеси твердых фаз
Bi + М2; М2 + М1; М1 + Pt
в) На диаграмме имеются три линии безвариантных равновесий, соответствующих
температурам t1 = 730°С; t2 = 660°С; t3 =
270°С
1. Горизонтальная линия t1 = 730°С – это линия эвтектического
превращения, которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз
– вещества Pt и вещества М1 (BiPt) из жидкого расплава.
Уравнение эвтектического превращения:
ЖЕ2 = ТМ1 + ТPt,
где ЖЕ2 – жидкость (расплава);
ТМ1 , ТPt - твердые фазы М1 и Pt, соответственно.
2. Горизонтальная линия t2 = 660°С – это линия перитектического
превращения, при котором жидкость расплава взаимодействует с ранее выпавшей
твердой фазой – веществом М1 - и образует новую твердую фазу
– вещество М2 (Bi2Pt).
Уравнение перитектического превращения:
ЖР1 + ТМ1 = ТМ2,
где ЖР1 – жидкость (расплава);
ТМ2 – твердая фаза М2.
3. Горизонтальная линия t3 = 270°С – это линия эвтектического
превращения, которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз –
вещества Bi и вещества М2 (Bi2Pt). Из жидкости расплава.
Уравнение эвтектического превращения:
ЖЕ2 = ТBi + ТМ2
г) Проследим за изменением фазового состояния сплавов, содержащих:
сплав «х» - 40 масс.% Pt,
сплав «х1» - 80 масс.% Pt –
при понижении температуры от 1400 до 200 °С.
1. Сплав «х».
При температуре точки «х» 1400°С заданная система, представляющая собой расплав
(Ф=1), двухвариантна, и отвод тепла от нее вызовет лишь охлаждение жидкости
неизменного состава до температуры Тλ, равной температуре
начала кристаллизации Т н.кр.х сплава «х»:
Тλ = Т н.кр.х
С появлением твердой фазы система становится одновариантной. Поэтому при
дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется.
Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой)
зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями
ликвидуса и солидуса соответственно.
Так, при температуре начала кристаллизации Тλ = Т н.кр.х
, состав расплава указывает точка «λ», а состав кристаллов – точка
«δ». Последняя находится на линии вещества М1, поэтому
первичным продуктом кристаллизации сплава «х» является одна твердая фаза –
вещество М1.
По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости
изменяется по ветви ликвидуса «λ», а состав твердой фазы постоянный –
линия «SД», что на рис.5 отмечено стрелками.
При понижении температуры до t = 660°С происходит перитектическое превращение,
при котором жидкость расплава взаимодействует с ранее выпавшей твердой фазой –
веществом М1 – и образуется новая твердая фаза – вещество М2
.
Трехфазная система безвариантна. За счет теплоты, выделяющейся в результате
превращения, температура в системе сохраняется неизменной.
Лишь после исчезновения жидкости появляется степень свободы и возможно
дальнейшее понижение температуры. Составы твердых фаз М1 и М2
постоянные.
При t = 200°С конечными продуктами кристаллизации сплава «х» являются твердые
фазы: М1 и М2; С=1; Ф=2.
2. Сплав «х1».
При температуре точки «х1» = 1400°С заданная система, представляющая
собой расплав (Ф=1), двухвариантна, и отвод тепла от нее вызовет лишь
охлаждение жидкости неизменного состава до температуры Тλ1 ,
равной температуре начала кристаллизации сплава «х1»:
Тλ1 = Т н.кр.х1,
С появлением твердой фазы система становится одновариантной. Поэтому при
дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется.
Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой)
зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями
ликвидуса и солидуса соответственно. Так, при температуре начала кристаллизации
Тλ1 = Т н.кр.х1, состав расплава указывает точка
«λ1», а состав кристаллов – точка «S1». Последняя
находится на линии вещества Pt, поэтому первичным продуктом кристаллизации
сплава «х1» является одна твердая фаза – вещество Pt.
По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости изменяется
по ветви ликвидуса от «λ1» до «Е2», состав твердой
фазы Pt постоянный.
При снижении температуры до t=730°С происходит эвтектическое превращение,
которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз – вещества Pt
и вещества М1 – из жидкости расплава..
Трехфазная система безвариантна. За счет теплоты, выделяющейся в результате
превращения, температура в системе сохраняется неизменной.
Лишь после исчезновения жидкости вновь появляется степень свободы и возможно
дальнейшее понижение температуры. Составы твердых фаз - вещества М1
и Pt – постоянные.
При температуре t=200°С конечным продуктом кристаллизации сплава «х1»
являются две твердые фазы – вещество М1 и вещество Pt.
д) На рис. 5 построим схематические кривые охлаждения сплавов «х» и «х1
» в координатах «температура – время».
е) Рассчитываем массу жидкой фазы и количество вещества Pt в ней, если общая
масса системы N=89 кг, температура t=800°С, а суммарное содержание Pt в
системе фаз 80 масс.%.
По правилу отрезков, масса жидкой фазы:
mж = (ВС/ас) * N = (20/43) * 89 = 41,40 кг
Для 80 масс.% Pt:
mж(Pt) = 0,8 * 41,40 = 33,12 кг
Масса жидкой фазы составляет 41,40 кг, а содержание платины в ней
33,12 кг.
Список используемой литературы
1. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.: -
металлургия, 1990.
2. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. М.: Высшая школа,1988
3. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Методические указания.
Магнитогорск. 2002.
| | |
|