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 Р1 (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 t11.

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 t1 = 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 Bi2Pt 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.