вариант 14. Контрольная работа по дисциплине Теория металлургических процессов

• Название: Контрольная работа по дисциплине Теория металлургических процессов
• Дата: 24.04.2021
• Размер: 59.42 Kb.
• Имя файла: вариант 14.docx
• Тип: Контрольная работа; #198264

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теория металлургических процессов»
Вариант № 14

Выполнил:

Агафонов И.А.

Группа ЗМ-19

Новокузнецк

2020
ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

Для заданной системы (№ 14 из таблицы 1) в интервале температур с шагом ее изменения 50 град и при двух различных давлениях рассчитать:

1. 
   Константу равновесия реакции (V).
   
2. 
   Давление CO.
   
3. 
   Давление CO₂.
   
4. 
   Давление N₂.
   
5. 
   Стандартное изменение энергии Гиббса реакции (I).
   
6. 
   Кислородный потенциал газовой фазы.
   
7. 
   Стандартное изменение энергии Гиббса реакции (II).
   
8. 
   Изменение энергии Гиббса системы с реакцией (II).
   

Рассчитанные величины внести в таблицу. Сделать заключение о свойстве газовой фазы и поведении в ней металла. Построить график изменения энергии Гиббса системы в зависимости от температуры. Графической (или расчетной) экстраполяцией определить, начиная с какой температуры, металл перестает окисляться.

Таблица 1 - Данные к расчету по вариантам

Вариант	Газовая смесь, %		Температурный интервал, °С	Давление Р*10- 5, Па
	N2	О2
14	62	38	720-920	1,013	1,4

Стандартное изменение энергии Гиббса реакций

Таблица 2 - Данные к расчету ∆_rG°(T)

Вариант	Реакция	∆rGo(T) = А+ B*T, Дж
		A	B
14	Сu + 0,5O2 = CuO	-159850	91,02

РАСЧЕТ
Предварительные замечания.

Константу равновесия реакции (V) рассчитываем по уравнению стандартного химического сродства (1). Универсальную газовую постоянную принимаем равной 8,314 Дж/моль^-1 К^-1.

С+СО₂= 2СО (V)




(1)


G_r°(T) = -RTlnK
Давление монооксида углерода рассчитываем по равенству (2).

(2)

В нашем случае γ = P_N2/P_О2=62/38=1,632

По заданию система находится при двух давле­ниях, которые, как было отмечено, должно быть выражено в атмосферах. В рас­сматриваемом примере они равны 1,0 и 1,382 атм.

Давление диоксида углерода определяем по равенству (3):

Р_СО2=Р²_СО/ (3)

Давление азота определяем по равенству (4):

Р_N2 = Р - Р_СО - Р_СО2 (4)

Стандартное изменение энергии Гиббса реакции (I) определяем по данным таблицы 2.

Кислородный потенциал газовой фазы рассчитываем по равенству (5):

(5)

Прежде чем определять стандартное изменение энергии Гиббса реакции варианта 14, ее нужно привести к виду реакции (II): 2Cu + О₂ = 2CuО

Видно, что количества реагирующих веществ реакции нужно увеличить в 2 раза. Соответственно и величины, определяющие стандартное изменение энергии Гиббса, увеличиваются в 2 раза. Находим стандартное изменение энергии Гиббса преобразованной реакции варианта 14 (2Cu + О₂ = 2CuО).

Изменение энергии Гиббса системы с реакцией варианта 14 рассчитываем по равенству (6):

∆ _rG(T) = - + ∆ G°_II(T) (6)

Все перечисленные расчеты выполняются два раза в указанном температурном интервале при двух давлениях - 1,0 и 1,382 атм. Рассчитанные величины вносятся в таблицу. По результатам расчетов строится график, зависимости изменения энергии Гиббса системы от температуры и давления.


Таблица 3 - Расчетные величины при Р = 1 атм.

T, K	Кv	PCO	PCO2	PN2
993	1,64	0,405	0,1002	0,494
1043	4,46	0,477	0,0510	0,472
1093	11,05	0,516	0,0241	0,460
1143	25,31	0,534	0,0113	0,454
1193	54,08	0,543	0,0054	0,452
T, K	∆rG°I(Т), Дж	πо2 (СО,СO2),Дж	∆G°II(T), Дж	∆rG(T), Дж
993	-391446	-414529	-138934	275595
1043	-382688	-421449	-129832	291617
1093	-373929	-429616	-120730	308885
1143	-365171	-438495	-111628	326867
1193	-356412	-447763	-102526	345236

Таблица 4 - Расчетные величины при Р = 1,382 атм.

T, K	Кv	Pco	PCO2		PN2
993	1,64	0,521	0,1655		0,695
1043	4,46	0,631	0,0894		0,661
1093	11,05	0,697	0,0440		0,641
1143	25,31	0,730	0,0211		0,630
1193	54,08	0,746	0,0103		0,626
T, K	∆rG°I(T), Дж	πO2 ,(СО,СO2),Дж	∆G°II(Т),Дж		∆ rG(Т),Дж
993	-391446	-410385		-138934		271451
1043	-382688	-416593		-129832		286761
1093	-373929	-424145		-120730		303415
1143	-365171	-432527		-111628		320899
1193	-356412	-441375		-102526		338849

По данным таблиц 3 и 4 строим график.




Рисунок 1 - Зависимость изменения энергии Гиббса системы с реакцией:

2Cu + О₂ = 2CuО от температуры и давления (Р=1 атм, Р=1,382 атм)
АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ВЕЛИЧИН

Проведенные расчеты в интервале температур и при двух давлениях пока­зали, что в системе с заданной газовой фазой в присутствии углерода, изменение энергии Гиббса положительно. Следовательно, в системе реакция течет не самопроизвольно. Медь окисляется. Газовая фаза является окислительной. Поведение изменения энергии Гиббса с ростом температуры системы указывает на увеличение окислительных свойств газовой фазы заданного состава.

Очевидно, что экстраполяцией полученных линейных зависимостей до пере­сечения с осью температур можно определить температуру, начиная с которой медь начинает окисляться. Выполнить экстраполяцию можно с помощью линейки. По графику находим температуры для условия ∆_rG(T) = 0:

Р = 1 атм, Т = 100 К, Р = 1,382 атм, Т = 120 К
ВЫВОДЫ

1. Газовая фаза из смеси 62 % N₂ и 38 % O₂ в присутствии углерода и в интервале температур 720-920^°C является окислительной для Сu по реакции 2Cu + O₂ = 2CuО.

2. Методом экстраполяции определено, что свойства газовой фазы меняются на окислительные начиная с температуры:

• 
  с 100 К для системы под давлением 1,0 атм;
  
• 
  с 120 К для системы под давлением 1,382 атм.
  

3. Углетермическим способом в данной газовой фазе Cu можно полу­чать из его оксида CuО при температурах выше 100 К или 120 К соответствующих давлениям 1,0 атм или 1,382 атм.