PAGEPAGE91課程教學大綱《冶金物理化學》課程編號：020401開課院系：冶金與生態工程學院課程類別：必修適用專業：冶金工程課內總學時：64學分：6先修課程：物理化學，冶金傳輸原理執筆：郭漢杰審閱：郭興敏，宋波一、課程教學目的1．本課程是冶金工程專業本課生必修課程，是一門重點介紹冶金物理化學基本概念、基本原理以及在冶金過程中應用的專業基礎課。2．通過本課程的學習使學生掌握冶金熱力學、冶金動力學的基本原理。學會運用這些原理分析和解決生產中出現的新問題；不斷地改造舊工藝，創造新工藝，降低生產消耗，提高生產率；不斷地向相關學科滲透，擴大冶金物理化學的研究領域。3.通過本課程的學習，使學生掌握冶金物理化學基本的實驗技能，對冶金中的問題，利用冶金物理化學基礎和其他專業知識綜合的研究方法。二、課程教學基本要求1．課程重點：熱力學基本定理在冶金中應用及標準吉布斯自由能的計算方法；Elingham圖的應用；溶液（包括鐵液與渣液的活度與活度系數、Wagner模型、分子理論與離子理論模型、標準溶解自由能等）。擴散與傳質的基本理論；三個典型的冶金動力學模型（氣固相反應動力學、氣液相反應動力學、液液相反應動力學）。2．課程難點：活度的概念及活度標準態的選擇；不同標準態活度及活度系數之間關系；相圖的基本規則（鄰接；相界限構筑；二次體系副分；切線；阿爾克馬德；零變點）；含有一個不穩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機理；液液反應動力學的雙膜理論的應用；不同控速條件的氣固反應動力學的未反應核模型。解決辦法1）充分發揮優質教師資源，讓具有豐富教學經驗的國內外著名學者周國治院士給學生講緒論，除全面介紹冶金物理化學的發展及如何在冶金中的應用外，重點指導學生如何學習冶金物理化學，學會解決冶金物理化學中難點問題的方法。2）對于重點與難點，教師通過舉例子、通俗化、強調、比較等手段使學生能夠完全掌握重點和難點。教師講解這些內容的過程中，要放慢速度，舉一反三。3）每章教學內容完成之后，助課老師要對內容進行總結，講解習題中的問題，還要針對不同章節的內容，講有代表性的例題。在這些過程中，把重點和難點內容再一次滲透進去，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”的學習方式，充分發揮學生的主觀能動性，給學生指定參考書中的相關內容，要求學生課外閱讀，學生自己解決這些知識點。如對于“活度的概念及活度標準態的選擇”問題，要求學生閱讀魏壽昆院士編著的“冶金過程熱力學”的有關章節，對于“液液反應動力學的雙膜理論的應用”，要求學生閱讀韓其勇教授編寫的“冶金過程動力學”的相關章節等。針對這些問題，要求學生寫出評論。通過教學中采取了以上方法，對解決教學過程中出現的重點和難點，收到了很好的效果。3．能力培養要求：重點要求學生牢固地掌握冶金物理化學的基本概念和基本原理，獨立完成大量習題，能夠正確熟練地計算冶金體系中化學反應的吉布斯白由能變化，判斷化學反應的方向和限度，分析化學反應的反應機理，獨立完成要求的四個實驗。以課堂講授為主，輔以習題課、課堂討論及答疑，提高作業數量及批改質量，對重點學生加強答疑，在條件成熟時實現多媒體教學。三、課程教學內容與學時課堂教學（64學時）緒論（2學時）主要內容：現代冶金過程與冶金物理化學；冶金熱力學與冶金動力學的最新發展；如何學習冶金物理化學？冶金熱力學（32學時）1．熱力學基本定理及在冶金中的應用（4學時）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）等溫方程式的導出由單個組元I的自由能推導化學反應的自由能變化；討論的三種形式；重點討論的形式，得出； 與的關系與聯系； 與在熱力學中分別承擔的角色。3）等壓方程式與二項式微分式；由微分式導出積分式；討論其意義。1.2冶金熱力學中標準自由能的計算1）用積分法計算化學反應的標準自由能變化；（注：講不定積分法，學生閱讀定積分法）；例題：教科書p22例1-62）由積分法得到的化學反應的標準自由能求化學反應標準自由能與溫度的二項式；3）由標準生成自由能和標準溶解自由能求化學反應的標準自由能（二項式）；4）由電化學反應的電動勢求化學反應的標準自由能變化；5）由自由能函數求化學反應的標準自由能變化。作業練習1-6，1-7，1-82．熱力學參數狀態圖（10學時）2.1Ellingham圖1）氧勢圖的形成原理；2）氧勢圖的熱力學特征；（特殊的線；直線斜率；直線位置）3）氧勢圖的應用。作業練習1-4，1-9，1-10，1-11，1-12課外閱讀：氧氣標尺；Jeffes圖；溶解在鐵溶液中的元素與反應的氧勢圖。2.2相圖分析方法及基本規則相圖基本定律；相律；連續原理；相應原理。2）三元系相圖的構成；構成原理；濃度三角形。3）三元系濃度三角形性質；杠桿規則與重心規則。4）三元系濃度三角形性質；垂線；平行線；等含線；定比例；直線。5）簡單共晶型三元系；圖的構成；平面投影圖；結晶過程（冷卻組織及量-杠桿原理應用）；等溫線與截面。課外閱讀：相圖的基本規則。6）具有一個穩定二元化合物的三元系；7）具有一個不穩定二元系的三元系；圖的特點；分析相圖中一個特殊的點M1的冷卻過程。作業：3-1；3-2；分析M2、M3點的冷卻過程。2.3相圖的應用。作業:3-43．冶金溶液（10學時）3.1鐵溶液3.1.1兩個基本定律拉烏爾定律；亨利定律；兩個定律的聯系及區別分析。3.1.2不同標準態活度及活度系數之間的相互轉換三個不同標準態的活度的定義；三個不同標準態的活度之間的關系（3個）；三個不同標準態的活度系數之間的關系（11個）。3.1.3標準溶解自由能溶解前為純物質，溶解在溶液中分別為三個不同標準態時標準溶解自由能；例題2-23.1.4多元系鐵溶液――活度相互作用系數瓦格納模型（一價、二階作用系數）;相互作用系數的關系（與，與）；例題2-3，2-4。作業:2-1，2-2，2-4，2-5，2-7，2-9；思考2-1，2-2，2-5，2-6。3.2二元正規溶液混合自由能與過剩自由能；正規溶液的定義；正規溶液的混合函數與過剩函數；正規溶液的性質（3個）例題2-6。作業:2-11，2-12；思考2-8。3.3冶金爐渣3.3.1爐渣的性質堿度（堿度，光學堿度，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:2-13，2-14，2-15，2-16，2-17，2-19。閱讀磷酸鹽容量。4．冶金熱力學應用（8學時）4.1冶金反應過程最高反應溫度及煉鋼中元素發熱能力的計算冶金反應過程標準焓的計算；最高反應溫度的計算；煉鋼中元素發熱能力的計算。4.2固體氧化物直接還原直接還原熱力學分析；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；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、脫磷的熱力學分析P127-1342）奧氏體不銹鋼冶煉發展的三個階段；奧氏體不銹鋼的去碳保鉻；理論計算；分析討論。作業:4-3，4-4，4-5。閱讀：霧化提礬（P122-123）。冶金動力學（30學時）5．冶金反應動力學基礎（8學時）5.1化學反應速率及反應級數化學反應進度；化學反應速率；化學反應速率方程（n級不可逆反應）；1級可逆反應方程。5.2反應速率與溫度的關系阿累尼烏斯公式與活化能；活化能與熱力學函數關系式。作業：5-1，5-2思考題：5-1，5-2。閱讀：串連反應5.3擴散與傳質費克第一定律；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理論。5.4相際傳質邊界層的概念；邊界層理論；傳質系數。作業：6-15.5多相反應動力學基本模型雙膜理論；溶質滲透理論；表面更新理論；舉例6－6作業：6-3，6-7；思考題：6-5。6．多相反應動力學（22學時）6.1氣一固反應（8學時）6.1.1氣-固反應特點與反應機理氣固反應特點及處理方法。6.1.2未反應核模型外擴散為限制環節時反應模型；2）內擴散為限制環節時反應模型；3）界面化學反應為限制環節時反應模型；4）內擴散和界面化學反應混合控速時反應模型；5）一般情況。6.1.3未反應核模型應用未反應核模型特殊條件下，外擴散、內擴散或界面化學反應控速應用及動力學參數獲取，舉例。習題：7-1，7-2，7-3，7-4；思考題：7-1，7-2，7-3。6.2氣一液反應（8學時）6.2.1氣泡形成機理與動力學過程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；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-氧反應動力學1）碳氧反應機理；2）碳氧反應動力學模型；3）碳氧反應動力學模型舉例。6.2.3氣泡冶金過程動力學吹氬冶煉超低碳不銹鋼碳氧反應機理；2）吹氬冶煉超低碳不銹鋼碳氧反應模型；3）吹氬脫氫過程動力學。習題：7-5,7-6,7-7，7-8思考題：7-5。6.3液一液反應（4學時）6.3.1液-液相反應特點與動力學方程液-液反應特點；液-液反應動力學機理；液-液反應動力學方程。6.3.2液-液反應應用實例錳氧化反應動力學。習題：7-9，7-10思考題：7-6，7-7。6.4液－固反應（2學時）1）固-液相反應特點；固-液相反應機理；實例介紹：爐渣-耐火材料反應實例。習題：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，冶金工業出版社，20042．郭漢杰編著，冶金物理化學教程（第二版），冶金工業出版社，2006參考書1．魏壽昆編著，冶金過程熱力學，上?？茖W技術出版社，1980

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

IntroductiontotheThermodynamicsofMeterials(ThirdEdition)5黃希鈷編，鋼鐵冶金原理，冶金工業出版社，2006五、作業（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，