Μεταλλουργία Σιδήρου – Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία

1. Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου – Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία 3o Μάθημα: Θερμοδυναμική αντιδράσεων αναγωγής Δρ. Α. Ξενίδης

2. Θερμοδυναμικές ιδιότητες • Εσωτερική ενέργεια • Η Ενέργεια που βρίσκεται αποθηκεμένη μέσα στο σύστημα εξαιτίας της κίνησης και θέσης των ατόμων, των ιόντων και των ορίων μέσα στο σύστημα • Οφείλεται • Κινητική ενέργεια ατόμων, ιόντων, μορίων • Δυναμική ενέργεια που οφείλεται σε κάθε είδους αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους • Δυναμική και κινητική ενέργεια των πυρήνων και των ηλεκτρονίων των ατόμων και των μορίων που το συγκροτούν • Δεν συμπεριλαμβάνεται • Η κινητική και δυναμική ενέργεια του συστήματος (θεωρούμενου συνολικά) λόγω κάποιας κίνησης που ενδεχόμενα εκτελεί ή κάποιας θέσης στην οποία βρίσκεται Μεταλλουργία Fe I

3. Θερμοδυναμικές ιδιότητες • Εσωτερική ενέργεια • Κατά την αντίδραση: • Ελευθερώνεται ενέργεια (αν Επ < Εα) • Απορροφάται ενέργεια (αν Επ > Εα) • ΔΕ = Επ - Εα • Απόλυτες τιμές των Επ και Εα είναι άγνωστες • Το ΔΕ μπορεί να προκύψει αν η χημική αντίδραση γίνεται μέσα σε θερμιδόμετρο • Αν παραμένει σταθερός ο όγκος, τότε: • ΔΕ = Q + W (αν είναι σταθερός ο όγκος το W = P.ΔV = 0)  • ΔΕ = Q Μεταλλουργία Fe I

4. Ενθαλπία • Στην πυρομεταλλουργία • Συνήθως αντιδράσεις υπό σταθερή πίεση • ΔΕ = Q + W • Q, W: Όταν απορροφούνται από το σύστημα είναι θετικά (IUPAC) • ΔΕ = Qp – P.ΔV Μεταλλουργία Fe I

5. Ενθαλπία • Qp= ΔΕ + P.ΔV • Δηλαδή: Απορροφούμενη ή εκλυόμενη θερμότητα υπό ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΙΕΣΗ ισούται με το άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας και του παραγόμενου ή απορροφούμενου έργου • Η Qp (ενθαλπία ή αισθητή θερμότητα ή θερμικό περιεχόμενο) • Ισοδυναμεί: με την ενέργεια του συστήματος αν αυτό έχει την ελευθερία να εκταθεί • Η = E + PV Μεταλλουργία Fe I

6. Θερμοχημεία • Ποσό της θερμότητας το οποίο απορροφάται ή εκλύεται κατά τις χημικές αντιδράσεις • Υπό σταθερή πίεση: Qp = ΔΗ • Απόλυτες τιμές ενθαλπίας δεν υπάρχουν. • Οι διαφορές ενθαλπίας έχουν σημασία • Μεταβολή κατάστασης είναι σημαντική (λανθάνουσα θερμότητα μεταβολής) Μεταλλουργία Fe I

7. Θερμοχωρητικότητα • Ορισμοί • Θερμοχωρητικότητα (heat capacity): Tο ποσό που απαιτείται για να ανέλθει η θερμοκρασία ενός σώματος κατά ένα βαθμό (cal/oC) • Ειδική θερμότητα (specific heat):Η θερμότητα που απαιτείται για να ανέλθει η θερμοκρασία ενός g του σώματος κατά ένα βαθμό (cal/(g.oC)) • Μοριακή ή γραμμομοριακή θερμότητα (molar heat) Cσώματος είναι η θερμότητα που απαιτείται για να ανέλθει η θερμοκρασία ενός γραμμομορίου (mole) κατά ένα βαθμό (cal /(mole.oC)) • Υπό σταθερή πίεση (Cp) • Υπό σταθερό όγκο (Cv) Μεταλλουργία Fe I

8. Ενθαλπία – μαθηματικοί ορισμοί Η=Ε + pV • Σημειακή ή καταστατική ιδιότητα Μεταλλουργία Fe I

9. Ενθαλπία – μαθηματικοί ορισμοί Σημειακές ή καταστατικές συναρτήσεις Μεταλλουργία Fe I

10. Ενθαλπία – μαθηματικοί ορισμοί Μεταλλουργία Fe I

11. Ειδική θερμότητα Μεταλλουργία Fe I

12. Ειδική θερμότητα Μεταλλουργία Fe I

13. Ειδική θερμότητα • Σχέσεις υπολογισμού • Cp = a+ bΤ • Cp = a+ bΤ + cT2 • Cp= a+ bΤ + cT-1/2 • Cp= a+ bΤ + cT-2 + dT2 (εξίσωση Kelley) Μεταλλουργία Fe I

14. Ειδική θερμότητα Cp = a+ bΤ + cT2 Μεταλλουργία Fe I

15. Υπολογισμός μεταβολών ενθαλπίας Cp = a+ bΤ + cT2 Μεταλλουργία Fe I

16. Υπολογισμός μεταβολών ενθαλπίας Μέση ειδική θερμότητα = Cpm ΔΤ = Cpm (Τ2 – Τ1) Αν : Cp = a+ bΤ + cT2 Μεταλλουργία Fe I

17. Μεταβολές ενθαλπίας για αλλαγές φάσεων , L, λ, Λ • Λανθάνουσα θερμότητα Μεταλλουργία Fe I

18. Μεταβολές ενθαλπίας για αλλαγές φάσεων • Αλλαγές στην ενθαλπία του καθαρού Zn Μεταλλουργία Fe I

19. Θερμοτονισμός αντίδρασης • Η μεταβολή ενέργειας που παρατηρείται άμεσα σαν αποτέλεσμα μιας αντίδρασης ονομάζεται θερμοτονισμός αντίδρασης • Ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται • Προέρχεται από τη λύση ή το σχηματισμό δεσμών • πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού μιας ένωσης είναι η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται από ένα σύστημα για τον σχηματισμό ενός mole της ένωσης στη θερμοκρασία αναφοράς (25oC) και σε πίεση 1 atm από τα καθαρά στοιχεία που την συνθέτουν τα οποία βρίσκονται στην πιο σταθερή τους μορφή στις ίδιες συνθήκες Μεταλλουργία Fe I

20. Θερμοτονισμός αντίδρασης α) Τα αντιδρώντα γράφονται στο αριστερό σκέλος της εξίσωσης και τα προϊόντα στο δεξιό. β) Πρέπει να καθορίζονται οι συνθήκες, δηλαδή οι φάση, η θερμοκρασία και οι πίεση εκτός αν οι δύο τελευταίες είναι οι πρότυπες συνθήκες. γ) Οι θερμοτονισμοί των αντιδράσεων, οι μεταβολές ενθαλπίας και όλα τα συστατικά υποτίθενται ότι βρίσκονται στις πρότυπες συνθήκες, εκτός αν καθορίζεται διαφορετικά. Σε αυτές τις συνθήκες (πρότυπες) ο θερμοτονισμός της αντίδρασης ονομάζεται πρότυπος θερμοτονισμός (ή πρότυπη θερμότητα) της αντίδρασης και συμβολίζεται με τον εκθετικό δείκτη (ο). δ) Αν δεν καθορίζονται τα ποσά των αντιδρώντων υλικών, θεωρείται ότι τα αντιδρώντα βρίσκονται στη στοιχειομετρική αναλογία που δίνεται από τη χημική εξίσωση. Μεταλλουργία Fe I

21. Θερμοτονισμός αντίδρασης Χωρίς χημική αντίδραση Διαφορά: αισθητή θερμότητα Μεταλλουργία Fe I

22. Θερμοτονισμός αντίδρασης Με χημική αντίδραση Μεταλλουργία Fe I

23. Μεταβολές ενθαλπίας για αλλαγές φάσεων • Αλλαγές στην ενθαλπία ZnS Μεταλλουργία Fe I