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1、试卷第 1 页 共 8 页 北京科技大学 2008-2009 学年 第一学期 冶金物理化学 试卷（A） 院(系) 冶金与生态工程学院 班级学号姓名 试卷卷面成绩 占课程 考核成 绩% 平时 成绩 占 % 课程考 核成绩 题号一二三四五六七八九十小计 得分 一、简答（1-6 题每小题 5 分，7-9 题每小题 8 分，共 54 分） 1. 试用热力学原理说明在氧势图上为什么位置低的金属元素可以还 原位置高的氧化物？ 解解：M M 和和 N N 为两种金属单质。为两种金属单质。 (2x/y)M+O(2x/y)M+O2 2=(2/y)M=(2/y)Mx xO Oy y, , G G 0 0 M M
2、(1)(1)氧势图上氧势图上位置高位置高 (2x/y)N+O(2x/y)N+O2 2=(2/y)N=(2/y)Nx xO Oy y, ,G G 0 0 N N (2)(2)氧势图上氧势图上位置低位置低 据题意：据题意：G G 0 0 N N G G 0 0 M M (1)(1) - - (2)(2) 得得 (2x/y)M(2x/y)M + + (2/y)N(2/y)Nx xO Oy y=(2/y)M=(2/y)Mx xO Oy y+(2x/y)N,+(2x/y)N, G G 0 0 3 3 (3)(3) G G 0 0 3 3= = G G 0 0 M M- - G G 0 0 N N 0,0
3、, 所以热力学上所以热力学上，反应反应（3 3）不能向右进行不能向右进行， 即即在氧势图上位置在氧势图上位置 高的金属元素高的金属元素不能不能还原位置低的氧化物还原位置低的氧化物。 2.试推导 1%标准态的活度与纯物质标准态活度的关系。 解：纯物质标准态活度解：纯物质标准态活度 a aR,i R,i=P =Pi i/P/P 0 0, , 质量质量 1%1%标准态的活度标准态的活度 a a%,i %,i=P =Pi i/k/k%,i %,i, , a aR, R,i i a a%,i %,i= = k k%,i%,i/ / P P 0 0= = (k (k%,i %,i/k /kH,i H,i)
4、( )( k kH,i H,i/P /P 0 0)=X )=X 0 0 i i 0 0 i i 3.简述分子理论的假设条件。 解：解：熔渣的分子理论假设条件：熔渣的分子理论假设条件： （1 1）熔渣是由各种电中性的简单氧化物分子（）熔渣是由各种电中性的简单氧化物分子（FeOFeOCaOCaOMgOMgOAlAl2 2O O3 3SiOSiO2 2P P2 2O O5 5） 以及复杂氧化物分子（以及复杂氧化物分子（CaOCaOSiOSiO2 2 2FeO2FeOSiOSiO2 2 CaOCaOP P2 2O O5 5）等组成的理想溶液）等组成的理想溶液。 得 分 装订线内不得答题 自觉遵守考试规
5、则，诚信考试，绝不作弊 试卷第 2 页 共 8 页 （2 2）简单氧化物分子与复杂氧化物分子在高温时存在化学反应平衡简单氧化物分子与复杂氧化物分子在高温时存在化学反应平衡，平衡时简单氧化物平衡时简单氧化物 分子摩尔分数就是该氧化物的活度。分子摩尔分数就是该氧化物的活度。 4.试写出正规溶液定义。 解：正规溶液定义：过剩混合热不为零（解：正规溶液定义：过剩混合热不为零（mix mixH Hm m E E 0 0） ，过剩混合熵为零的溶液，过剩混合熵为零的溶液( (mix mixS Sm m E E 0 0）叫做正规溶液。叫做正规溶液。 5.试写出硫容量的一种表达式。 解：解：当气相分压小于当气相
6、分压小于 0.1Pa0.1Pa 时，硫以硫化物的形式存在。硫化物容量表示为：时，硫以硫化物的形式存在。硫化物容量表示为： 2 2 2 2 )32()( 2/1 % S O S O S a nK p p SwC 当体系的气相分压大于当体系的气相分压大于 0.1Pa0.1Pa 时，渣中硫以硫酸盐形式存在，定义硫酸盐的容量时，渣中硫以硫酸盐形式存在，定义硫酸盐的容量 为：为： 2/12/3 % 22 )( p p p p Sw C SO S 6.简述有效边界层的定义。 答： 当流体速度为当流体速度为 u ub b的粘性流体绕固体表面流动时，由于表面的摩擦作用在固体的粘性流体绕固体表面流动时，由于表面
7、的摩擦作用在固体 表面附近会形成具有很大速度梯度的区域。在固体表面上流体速度表面附近会形成具有很大速度梯度的区域。在固体表面上流体速度 u ux x为零，而在距为零，而在距 固体表面一小距离处，流体速度就等于固体表面一小距离处，流体速度就等于 99%99%的流体本体速度的流体本体速度 u ub b。 这个区域叫速度边这个区域叫速度边 界层，距固体表面这一距离称为速度边界层厚度界层，距固体表面这一距离称为速度边界层厚度u u。 当含某一组元当含某一组元 A A 浓度为浓度为 C Cb b的流体绕固体表面流动时，如果由于流体与固体表的流体绕固体表面流动时，如果由于流体与固体表 面含组元面含组元 A
8、 A 的浓度不同的浓度不同，则会在固体垂直方向建立起浓度梯度则会在固体垂直方向建立起浓度梯度。在固体表面上组元在固体表面上组元 A A 的浓度为的浓度为 C Cs s，而在距固体表面一小距离处而在距固体表面一小距离处，组元组元 A A 的浓度就降到的浓度就降到 99%99%的流体本体浓的流体本体浓度度 C Cb b。 这个区域叫浓度边界层，距固体表面这一距离称为浓度边界层厚度这个区域叫浓度边界层，距固体表面这一距离称为浓度边界层厚度c c。 试卷第 3 页 共 8 页 为了数学上的处理方便，将分子扩散（为了数学上的处理方便，将分子扩散（D D）和湍流传质（）和湍流传质（EDED）折算成稳态的分
9、）折算成稳态的分 子扩散，为此由浓度为子扩散，为此由浓度为 C Cs s的固体表面点作浓度曲线的切线，使之与本体浓度的固体表面点作浓度曲线的切线，使之与本体浓度 C Cb b的延的延 长线相交于一点长线相交于一点，过这点作一平行于固体表面的平面过这点作一平行于固体表面的平面，该平面与固体表面之间的区域该平面与固体表面之间的区域 称为有效边界层，其厚度用称为有效边界层，其厚度用c c表示。表示。 7. 对于诸如“碳氧生成 CO 的反应” ，热力学计算表明该反应可以发生，为 什么在单一的铁液中很难发生？ 解：解：因为钢液与因为钢液与 COCO 气泡之间的表面张力气泡之间的表面张力存在，导致了刚形成
10、的存在，导致了刚形成的 COCO 小气泡受到一个附小气泡受到一个附 加压力加压力 P P附 附=2 =2/R/R。 R R 为为 COCO 小气泡的曲率半径小气泡的曲率半径。 由于铁液中碳氧反应由于铁液中碳氧反应C+C+ O=COO=CO 产产 生的生的 COCO 压力远小于压力远小于 COCO 小气泡受到的附加压力小气泡受到的附加压力 P P 附附, , 因此碳氧生成 因此碳氧生成 COCO 的反应在单一的反应在单一 的铁液中很难发生。的铁液中很难发生。 8.试写出非均相生核活性孔隙半径的的最大值的表达式，讨论其与钢液深度 的关系，通过这个问题的讨论你对炼钢炉型的设计有什么启发？ 解：解：
11、如果如果 COCO 气泡能在活性孔隙内生成，则活性孔隙内气泡能在活性孔隙内生成，则活性孔隙内 COCO 气体所受附加压力气体所受附加压力 P P 附附( (指向上方 指向上方) ) 应大于等于活性孔隙内应大于等于活性孔隙内 COCO 气体所受钢液静压强气体所受钢液静压强 P P静 静（指向下方 （指向下方） 。P P附 附=- =- r cos2 ，r r 为活性孔隙半径，为活性孔隙半径，为接触角。为接触角。 P P静 静= = gh,gh, 为钢液密度，为钢液密度，h h 为钢液深度。为钢液深度。 P P附 附P P静，静， r r gh cos2 ， 试卷第 4 页 共 8 页 活性孔隙半
12、径的的最大值活性孔隙半径的的最大值 r rmax max= = gh cos2 讨论讨论: : 钢液深度钢液深度 h h 越大，活性孔隙半径的的最大值越大，活性孔隙半径的的最大值 r rmax max越小。 越小。 实践上，很小的活性实践上，很小的活性 孔隙半径很难做成，因此钢液深度孔隙半径很难做成，因此钢液深度 h h 不能太大，炼钢炉应做成比表面积大的，深不能太大，炼钢炉应做成比表面积大的，深 度浅的炉子。度浅的炉子。 9.对于气/固反应 A(g)+ bB(s)= gG(g)+ sS(s) 若 B 是球形，试写出其反应机理及每一步的扩散流密度（传质通量） 。 解：解：反应机理：反应机理：
13、（1 1） 气体反应物气体反应物 A A(g) (g)通过气相边界层向固体生成物 通过气相边界层向固体生成物 S S(s) (s)表面 表面扩散扩散，称为外扩，称为外扩 散。散。 )( AsAbgA CCkJ （2 2） 气体反应物气体反应物 A A(g) (g)通过固体生成物 通过固体生成物 S S(s) (s)层向 层向化学化学反应界反应界面面扩散扩散，称为内扩散。，称为内扩散。 i A effA dr dC DJ （3 3） 气体反应物气体反应物 A A(g) (g)在反应界 在反应界面上同面上同固体反应物固体反应物 B B(s) (s)发生化学反应生成 发生化学反应生成气体生成物气体生
14、成物 G G(g) (g) 和固体生成物和固体生成物 S S(s) (s)，称为界面化学反应。 ，称为界面化学反应。 AireaA CkJ （4 4） 气体生成物气体生成物 G G(g) (g)通过固体生成物 通过固体生成物 S S(s) (s)层向固体生成物 层向固体生成物 S S(s) (s)表面 表面扩散扩散，称为内扩散。，称为内扩散。 i G effG dr dC DJ 试卷第 5 页 共 8 页 （5 5） 气体生成物气体生成物 G G(g) (g)通过气相边界层向气相扩散 通过气相边界层向气相扩散，称为外扩散。，称为外扩散。 )( GbGsgG CCkJ 二、热力学部分计算与论述题
15、（共 25 分） 1 （15 分）高炉渣中（SiO2）与生铁中的Si可发生下述反应 （SiO2）+ Si = 2SiO(g) 问：1800K 上述反应达到平衡时，SiO 的分压可达多少 Pa? 已知 渣中（SiO2）活度为 0.09。生铁中 wC = 4.1%，wSi = 0.9%， Si Si e= 0.109， C Si e= 0.18， Si(l)+ SiO2(s)= 2SiO(g)rG=（633000299.8T ） J Si(l)= SisolG=（13150017.24T） Jmol-1 解解： 1)1)Si(l)+SiOSi(l)+SiO2 2(s)=2SiO(g)(s)=2Si
16、O(g) rGrG 0 0=633000-299.8T =633000-299.8T 2)2)Si(l)=Si(l)= Si(l)Si(l)（铁液中杂质通常以（铁液中杂质通常以 wi%=1wi%=1 为标准态）为标准态） 0 0 R,Si(l)R,Si(l) 0 0 %,Si(l)%,Si(l) sol solG G 0 0= = 0 0 %,Si(l)-%,Si(l)- 0 0 R,Si(l)R,Si(l) =-131500-17.24T=-131500-17.24T 3)3)SiOSiO2 2(s)=(SiO(s)=(SiO2 2)(s)(s) （渣中通常以纯物质为标准态）（渣中通常以纯物质为标准态） 0 0 R,SiO2(s)R,SiO2(s) 0 0 R,SiO2(s)R,SiO2(s) sol solG G = = 0 0 R,SiO2(s)R,SiO2(s) - - 0 0 R,S
