2 Болат қорыту үрдісінің физика–химиялық негізі
2.1 Болат қорыту үрдісінде физикалық химияның заңдарын қолдану
Конвертерлік болат қорыту – күрделі үрдіс. Болат қорыту барысында үрлеме әсерінен шойын элементтері тотығып, қожтүзгіш материалдармен қож түзіп, шеген–металл қожгаз жүйесінде физика – химиялық үрдістер орын алады. Сондықтан болат қорыту үрдісін басқаруда физикалық химияның заңдарына сүйенеді. Металл мен қождағы әр түрлі түрленістердің энергетикалық жағдайын, үрдіс мүмкіндігін, бағытын және тепе–теңдігін анықтауда термодинамиканың жалпы заңдарына, ал орын алып жатқан үрдістердің жылдамдығын анықтауда кинетиканың заңдарына сүйенеді [6, 7].
Жылу тепе–теңдігін және жылудың энергияның басқа түрлеріне түрлену заңдарын зерттейтін ғылымды термодинамика деп атайды. Химиялық термодинамикада термодинамиканың жалпы заңдарын физика–химиялық үрдістерге қолдану қарастырылады [7].
Болат металлургиясында қолданылатын термоди–намиканың негізгі қағидалары. Термодинамикада әр түрлі жүйелер зерттеледі. Зерттеу үшін қоршаған ортадан бөлініп алынған денелер тобын жүйе деп атайды. Конвертердің шегені, металы, қожы және газ атмосферасы жүйе мысалы бола алады. Жүйе гомогенді (бір фазалы) және гетерогенді (көп фазалы) болып бөлінеді. Жүйе гомогенді, егер оның барлық бөлігі құрамы және қасиеті бойынша бірдей болса. Қасиеттері әр түрлі жүйе бөліктері (фазалары) бір–бірімен бет аралық бөлінсе, онда жүйе – гетерогенді.
Жүйе күйін термодинамикалық параметрлер – температура, қысым, көлем, концентрация және т.б. сыйпаттайды. Жүйе күйі параметрлерінің өзгеруінен термодинамикалық үрдіс орын алады.
Күй параметрлерінің өзгеруіне байланысты жүйедегі өзгерістерді, яғни үрдісті сыйпаттайтын шамаларды үрдіс параметрлері деп атайды. Болат қорыту үрдісі негізінен изобаралық жағдайда (қысым тұрақты) өтетіндіктен, термодинамикалық есептеулерде изобара–изотермиялық потенциялының (∆G), энтальпияның (∆H), жылу эффектісінің (Qp) өзгеру мәндері қолданылады.
Негізгі термодинамикалық функциялардың ара қатынасын сұлба ретінде келтіруге болады (2.1 – сурет). Заттың жалпы энергия қорын ішкі энергия (U) деп атайды. Химиялық реакциялардың жүру нәтижесінде ішкі энергия не азайып, не көбейіп өзгереді (∆U). Термодинамикалық есептеулерде ∆U мәнін білу жеткілікті.
Қысым тұрақты болғанда энтальпия мен ішкі энергия арасында қатынас мынандай [6,7]
H=U+pV (2.1)
Аз қысым түсетін қатты және сұйық үшін pV мәні өте аз, сондықтан энтальтия мен ішкі энергия өзара тең деуге болады.
Энтальтияның абсалюттік шамасының өзгеруі жылу эффектісіне тең. Егер реакция кезінде жылу шығарылса, онда жылу эффекті оң (+Qp). Бұндай реакцияны экзотермиялық деп атайды. Жүйе энтальпиясының өзгеруі теріс (∆H<0). Бөлініп шыққан жылу шамасына жүйенің энталпиясы кемиді, яғни Qp= – ∆H.
Егер реакция кезінде жылу сіңірілсе, онда жылу эффекті теріс (– Qp). Реакция эндотермиялық. Жүйе энтальпиясының өзгеруі оң (∆H>0). Сонда – Qp=∆H.
Термодинамиканың екінші заңы бойынша ішкі энергияның толықтай жұмысқа түрленуі мүмкін емес. Ішкі энергияның жұмысқа түрленбейтін бөлігін байланған энергия, ал энергияның жұмысқа түрленетін бөлігін бос энергия (F) деп атайды. Байланған энергия температура мен энтропияның көбейтіндісіне (TS) тең.
Көлем тұрақты болғанда жүйенің немесе заттың бос энергиясының өзгеруін төмендегі теңдеумен көрсетуге болады
∆Fv=∆U – T ∆S (2.2)
(U–TS) функциясы изохора–изотермиялық потенциалын, изохора потенциалын немесе көлем тұрақты болғандағы бос энергияны сыйпаттайды.
Температурасы мен қысымы тұрақты келген жүйе үрдісінің жүру мүмкіндігінің бағытын көрсететін функцияны изобара–изотермиялық потенциал, изобаралық потенциал, термодинамикалық потенциал, қысым тұрақты болғандағы бос энергия немесе бос энергия деп атап, мына теңдеумен анықтайды
G = H – TS (2.3)
немесе
∆G = ∆H – T∆S (2.4)
Термодинамиканың екінші заңы бойынша изобара–изотермиялық жүйе үрдісі өздігінен жүре алады, егер жүйенің бос энергиясы кемитін болса. Егер ∆G<0 болса, онда үрдіс (реакция) тура бағытта жүре алады. Егер ∆G=0 болса, реакцияның тепе–теңдік күйіне жеткені. Егер ∆G>0 болса, реакция тек кері бағытта жүре алады.
Реакцияның қай бағытта қандай дәрежеде жүретінін тепе-теңдік константасы (Кр) көрсетеді. Бос энергия өзгеруі мен реакцияның тепе–теңдік константасының арасында мынандай қатынас бар [7]
 G=RT lnKp (2.5)
Достарыңызбен бөлісу: |
