冶金物理化學(xué) 教學(xué)大綱

PAGEPAGE91課程教學(xué)大綱《冶金物理化學(xué)》課程編號：020401開課院系：冶金與生態(tài)工程學(xué)院課程類別：必修適用專業(yè)：冶金工程課內(nèi)總學(xué)時：64學(xué)分：6先修課程：物理化學(xué)，冶金傳輸原理執(zhí)筆：郭漢杰審閱：郭興敏，宋波一、課程教學(xué)目的1．本課程是冶金工程專業(yè)本課生必修課程，是一門重點介紹冶金物理化學(xué)基本概念、基本原理以及在冶金過程中應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課。2．通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握冶金熱力學(xué)、冶金動力學(xué)的基本原理。學(xué)會運用這些原理分析和解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的新問題；不斷地改造舊工藝，創(chuàng)造新工藝，降低生產(chǎn)消耗，提高生產(chǎn)率；不斷地向相關(guān)學(xué)科滲透，擴大冶金物理化學(xué)的研究領(lǐng)域。3.通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握冶金物理化學(xué)基本的實驗技能，對冶金中的問題，利用冶金物理化學(xué)基礎(chǔ)和其他專業(yè)知識綜合的研究方法。二、課程教學(xué)基本要求1．課程重點：熱力學(xué)基本定理在冶金中應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的計算方法；Elingham圖的應(yīng)用；溶液（包括鐵液與渣液的活度與活度系數(shù)、Wagner模型、分子理論與離子理論模型、標(biāo)準(zhǔn)溶解自由能等）。擴散與傳質(zhì)的基本理論；三個典型的冶金動力學(xué)模型（氣固相反應(yīng)動力學(xué)、氣液相反應(yīng)動力學(xué)、液液相反應(yīng)動力學(xué)）。2．課程難點：活度的概念及活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的選擇；不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度及活度系數(shù)之間關(guān)系；相圖的基本規(guī)則（鄰接；相界限構(gòu)筑；二次體系副分；切線；阿爾克馬德；零變點）；含有一個不穩(wěn)定二元化合物的三元系相圖的冷卻過程分析；氣泡在均相與非均相形核、氣泡長大與上升動力學(xué)機理；液液反應(yīng)動力學(xué)的雙膜理論的應(yīng)用；不同控速條件的氣固反應(yīng)動力學(xué)的未反應(yīng)核模型。解決辦法1）充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教師資源，讓具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的國內(nèi)外著名學(xué)者周國治院士給學(xué)生講緒論，除全面介紹冶金物理化學(xué)的發(fā)展及如何在冶金中的應(yīng)用外，重點指導(dǎo)學(xué)生如何學(xué)習(xí)冶金物理化學(xué)，學(xué)會解決冶金物理化學(xué)中難點問題的方法。2）對于重點與難點，教師通過舉例子、通俗化、強調(diào)、比較等手段使學(xué)生能夠完全掌握重點和難點。教師講解這些內(nèi)容的過程中，要放慢速度，舉一反三。3）每章教學(xué)內(nèi)容完成之后，助課老師要對內(nèi)容進行總結(jié)，講解習(xí)題中的問題，還要針對不同章節(jié)的內(nèi)容，講有代表性的例題。在這些過程中，把重點和難點內(nèi)容再一次滲透進去，達到了舉一反三的作用。4）針對不同的重點和難點，留一至兩道思考題，用“探究性”的學(xué)習(xí)方式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，給學(xué)生指定參考書中的相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生課外閱讀，學(xué)生自己解決這些知識點。如對于“活度的概念及活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的選擇”問題，要求學(xué)生閱讀魏壽昆院士編著的“冶金過程熱力學(xué)”的有關(guān)章節(jié)，對于“液液反應(yīng)動力學(xué)的雙膜理論的應(yīng)用”，要求學(xué)生閱讀韓其勇教授編寫的“冶金過程動力學(xué)”的相關(guān)章節(jié)等。針對這些問題，要求學(xué)生寫出評論。通過教學(xué)中采取了以上方法，對解決教學(xué)過程中出現(xiàn)的重點和難點，收到了很好的效果。3．能力培養(yǎng)要求：重點要求學(xué)生牢固地掌握冶金物理化學(xué)的基本概念和基本原理，獨立完成大量習(xí)題，能夠正確熟練地計算冶金體系中化學(xué)反應(yīng)的吉布斯白由能變化，判斷化學(xué)反應(yīng)的方向和限度，分析化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機理，獨立完成要求的四個實驗。以課堂講授為主，輔以習(xí)題課、課堂討論及答疑，提高作業(yè)數(shù)量及批改質(zhì)量，對重點學(xué)生加強答疑，在條件成熟時實現(xiàn)多媒體教學(xué)。三、課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時課堂教學(xué)（64學(xué)時）緒論（2學(xué)時）主要內(nèi)容：現(xiàn)代冶金過程與冶金物理化學(xué)；冶金熱力學(xué)與冶金動力學(xué)的最新發(fā)展；如何學(xué)習(xí)冶金物理化學(xué)？冶金熱力學(xué)（32學(xué)時）1．熱力學(xué)基本定理及在冶金中的應(yīng)用（4學(xué)時）1.1幾個基本公式1）體系中組元i的自由能的描述；理想氣體體系中組元i的自由能；液相體系中組元i的自由能；固相體系中組元i的自由能。2）等溫方程式的導(dǎo)出由單個組元I的自由能推導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的自由能變化；討論的三種形式；重點討論的形式，得出； 與的關(guān)系與聯(lián)系； 與在熱力學(xué)中分別承擔(dān)的角色。3）等壓方程式與二項式微分式；由微分式導(dǎo)出積分式；討論其意義。1.2冶金熱力學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)自由能的計算1）用積分法計算化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化；（注：講不定積分法，學(xué)生閱讀定積分法）；例題：教科書p22例1-62）由積分法得到的化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能求化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能與溫度的二項式；3）由標(biāo)準(zhǔn)生成自由能和標(biāo)準(zhǔn)溶解自由能求化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能（二項式）；4）由電化學(xué)反應(yīng)的電動勢求化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化；5）由自由能函數(shù)求化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。作業(yè)練習(xí)1-6，1-7，1-82．熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)圖（10學(xué)時）2.1Ellingham圖1）氧勢圖的形成原理；2）氧勢圖的熱力學(xué)特征；（特殊的線；直線斜率；直線位置）3）氧勢圖的應(yīng)用。作業(yè)練習(xí)1-4，1-9，1-10，1-11，1-12課外閱讀：氧氣標(biāo)尺；Jeffes圖；溶解在鐵溶液中的元素與反應(yīng)的氧勢圖。2.2相圖分析方法及基本規(guī)則相圖基本定律；相律；連續(xù)原理；相應(yīng)原理。2）三元系相圖的構(gòu)成；構(gòu)成原理；濃度三角形。3）三元系濃度三角形性質(zhì)；杠桿規(guī)則與重心規(guī)則。4）三元系濃度三角形性質(zhì)；垂線；平行線；等含線；定比例；直線。5）簡單共晶型三元系；圖的構(gòu)成；平面投影圖；結(jié)晶過程（冷卻組織及量-杠桿原理應(yīng)用）；等溫線與截面。課外閱讀：相圖的基本規(guī)則。6）具有一個穩(wěn)定二元化合物的三元系；7）具有一個不穩(wěn)定二元系的三元系；圖的特點；分析相圖中一個特殊的點M1的冷卻過程。作業(yè)：3-1；3-2；分析M2、M3點的冷卻過程。2.3相圖的應(yīng)用。作業(yè):3-43．冶金溶液（10學(xué)時）3.1鐵溶液3.1.1兩個基本定律拉烏爾定律；亨利定律；兩個定律的聯(lián)系及區(qū)別分析。3.1.2不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度及活度系數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換三個不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度的定義；三個不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度之間的關(guān)系（3個）；三個不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)之間的關(guān)系（11個）。3.1.3標(biāo)準(zhǔn)溶解自由能溶解前為純物質(zhì)，溶解在溶液中分別為三個不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時標(biāo)準(zhǔn)溶解自由能；例題2-23.1.4多元系鐵溶液――活度相互作用系數(shù)瓦格納模型（一價、二階作用系數(shù)）;相互作用系數(shù)的關(guān)系（與，與）；例題2-3，2-4。作業(yè):2-1，2-2，2-4，2-5，2-7，2-9；思考2-1，2-2，2-5，2-6。3.2二元正規(guī)溶液混合自由能與過剩自由能；正規(guī)溶液的定義；正規(guī)溶液的混合函數(shù)與過剩函數(shù)；正規(guī)溶液的性質(zhì)（3個）例題2-6。作業(yè):2-11，2-12；思考2-8。3.3冶金爐渣3.3.1爐渣的性質(zhì)堿度（堿度，光學(xué)堿度，過剩堿）；氧化還原性。3.3.2分子理論理論模型;例題2-8。3.3.3捷姆金完全離子理論理論模型;例題2-9。3.3.4硫化物容量；硫酸鹽容量；硫容量與堿度。作業(yè):2-13，2-14，2-15，2-16，2-17，2-19。閱讀磷酸鹽容量。4．冶金熱力學(xué)應(yīng)用（8學(xué)時）4.1冶金反應(yīng)過程最高反應(yīng)溫度及煉鋼中元素發(fā)熱能力的計算冶金反應(yīng)過程標(biāo)準(zhǔn)焓的計算；最高反應(yīng)溫度的計算；煉鋼中元素發(fā)熱能力的計算。4.2固體氧化物直接還原直接還原熱力學(xué)分析；直接還原機理；直接還原％CO－T平衡圖。閱讀：固體氧化物的間接還原。4.3選擇性還原從紅土礦中提取鈷和鎳還原熱力學(xué)；分析討論。4.4選擇性氧化奧氏體不銹鋼的去碳保鉻1）鉻的氧化物；含鉻鐵水的吹煉；閱讀：爐渣脫硫、脫磷的熱力學(xué)分析P127-1342）奧氏體不銹鋼冶煉發(fā)展的三個階段；奧氏體不銹鋼的去碳保鉻；理論計算；分析討論。作業(yè):4-3，4-4，4-5。閱讀：霧化提礬（P122-123）。冶金動力學(xué)（30學(xué)時）5．冶金反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（8學(xué)時）5.1化學(xué)反應(yīng)速率及反應(yīng)級數(shù)化學(xué)反應(yīng)進度；化學(xué)反應(yīng)速率；化學(xué)反應(yīng)速率方程（n級不可逆反應(yīng)）；1級可逆反應(yīng)方程。5.2反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系阿累尼烏斯公式與活化能；活化能與熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系式。作業(yè)：5-1，5-2思考題：5-1，5-2。閱讀：串連反應(yīng)5.3擴散與傳質(zhì)費克第一定律；費克第二定律；費克二定律的特解（擴散偶；幾何面源）閱讀：有效碰撞理論及過渡態(tài)理論。5.4相際傳質(zhì)邊界層的概念；邊界層理論；傳質(zhì)系數(shù)。作業(yè)：6-15.5多相反應(yīng)動力學(xué)基本模型雙膜理論；溶質(zhì)滲透理論；表面更新理論；舉例6－6作業(yè)：6-3，6-7；思考題：6-5。6．多相反應(yīng)動力學(xué)（22學(xué)時）6.1氣一固反應(yīng)（8學(xué)時）6.1.1氣-固反應(yīng)特點與反應(yīng)機理氣固反應(yīng)特點及處理方法。6.1.2未反應(yīng)核模型外擴散為限制環(huán)節(jié)時反應(yīng)模型；2）內(nèi)擴散為限制環(huán)節(jié)時反應(yīng)模型；3）界面化學(xué)反應(yīng)為限制環(huán)節(jié)時反應(yīng)模型；4）內(nèi)擴散和界面化學(xué)反應(yīng)混合控速時反應(yīng)模型；5）一般情況。6.1.3未反應(yīng)核模型應(yīng)用未反應(yīng)核模型特殊條件下，外擴散、內(nèi)擴散或界面化學(xué)反應(yīng)控速應(yīng)用及動力學(xué)參數(shù)獲取，舉例。習(xí)題：7-1，7-2，7-3，7-4；思考題：7-1，7-2，7-3。6.2氣一液反應(yīng)（8學(xué)時）6.2.1氣泡形成機理與動力學(xué)過程1）均相中氣泡的生成機理均相中氣泡的生成機理；例：碳-氧反應(yīng)；非均相氣泡生成機理；活性氣隙的最大半徑；氣泡長大與上升動力學(xué)機理。氣泡在液相中的行為氣泡在液相中的運動；氣泡在上浮過程中長大。6.2.2鋼液中碳-氧反應(yīng)動力學(xué)1）碳氧反應(yīng)機理；2）碳氧反應(yīng)動力學(xué)模型；3）碳氧反應(yīng)動力學(xué)模型舉例。6.2.3氣泡冶金過程動力學(xué)吹氬冶煉超低碳不銹鋼碳氧反應(yīng)機理；2）吹氬冶煉超低碳不銹鋼碳氧反應(yīng)模型；3）吹氬脫氫過程動力學(xué)。習(xí)題：7-5,7-6,7-7，7-8思考題：7-5。6.3液一液反應(yīng)（4學(xué)時）6.3.1液-液相反應(yīng)特點與動力學(xué)方程液-液反應(yīng)特點；液-液反應(yīng)動力學(xué)機理；液-液反應(yīng)動力學(xué)方程。6.3.2液-液反應(yīng)應(yīng)用實例錳氧化反應(yīng)動力學(xué)。習(xí)題：7-9，7-10思考題：7-6，7-7。6.4液－固反應(yīng)（2學(xué)時）1）固-液相反應(yīng)特點；固-液相反應(yīng)機理；實例介紹：爐渣-耐火材料反應(yīng)實例。習(xí)題：7-11思考題：7-8。四、教材與參考書教材1.張家蕓等編，冶金物理化學(xué)，冶金工業(yè)出版社，20042．郭漢杰編著，冶金物理化學(xué)教程（第二版），冶金工業(yè)出版社，2006參考書1．魏壽昆編著，冶金過程熱力學(xué)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980

2．李文超主編，冶金熱力學(xué)，冶金工業(yè)出版社，20013.田彥文等編，冶金物理化學(xué)簡明教程，冶金工業(yè)出版社，2006。4.DavidR.Gaskell

IntroductiontotheThermodynamicsofMeterials(ThirdEdition)5黃希鈷編，鋼鐵冶金原理，冶金工業(yè)出版社，2006五、作業(yè)（按照“教科書1”上的編號）1.1-1，1-5，1-6，1-7，1-8，1-4，1-9，1-10，1-11，1-12。2.2-12，2-5，2-3，2-4，2-11，