ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ Ι

Μεταλλουργία Σιδήρου – Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία

Τμήμα Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών ΔΡ. Α. ΞΕΝΙΔΗΣ

ΔΙΑΛΕΞΗ 3. ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ

ΑΝΑΓΩΓΗΣ

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ 2

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Εσωτερική ενέργεια Η ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη 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

3

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

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 4

Στην πυρομεταλλουργία Συνήθως αντιδράσεις υπό σταθερή πίεση

ΔΕ = Q + W

Q, W: Όταν απορροφούνται από το σύστημα είναι θετικά (IUPAC)

ΔΕ = Qp – P.ΔV

Qp = ΔΕ + P.ΔV

Δηλαδή: Απορροφούμενη ή εκλυόμενη θερμότητα υπό ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΙΕΣΗ ισούται με τοάθροισμα 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

ΕΝΘΑΛΠΙΑ 5

ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ 6

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)

ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ 7

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) C σώματος 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)

ΕΝΘΑΛΠΙΑ – ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ

Η=Ε + pV Σημειακή ή καταστατική ιδιότητα

8

ΕΝΘΑΛΠΙΑ – ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 9

Σημειακές ή καταστατικές συναρτήσεις

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 10

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 11

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 12

Σχέσεις υπολογισμού Cp = a+ bΤ

Cp = a+ bΤ + cT2

Cp= a+ bΤ + cT-1/2

Cp= a+ bΤ + cT-2 + dT2 (εξίσωση Kelley)

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ 13

Cp = a+ bΤ + cT2

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ 14

Αν : Cp = a+ bΤ + cT2

= Cpm ΔΤ = Cpm (Τ2 – Τ1)

Μέση ειδική θερμότητα

ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΓΙΑ ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΕΩΝ 15

Λανθάνουσα Θερμότητα ΔΗ, L, λ, Λ

- 20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 200 400 600 800 1000 1400

H, kJ/mol Enthalpy of Zinc Sulfide

gas

liquid

solid 7.322

115.311

298.15 K

0

Temperature, K

130.415

Αλλαγές στην ενθαλπία του καθαρού Zn

ΘΕΡΜΟΤΟΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

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

16

ΘΕΡΜΟΤΟΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

α) Τα αντιδρώντα γράφονται στο αριστερό σκέλος της εξίσωσης και τα προϊόντα στο δεξιό.

β) Πρέπει να καθορίζονται οι συνθήκες, δηλαδή η φάση, η θερμοκρασία και η 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.

17

ΘΕΡΜΟΤΟΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 18

Χωρίς χημική αντίδραση

Διαφορά: αισθητή θερμότητα

ΘΕΡΜΟΤΟΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 19

Με χημική αντίδραση

ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΓΙΑ ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΕΩΝ

Αλλαγές στην ενθαλπία ZnS

20

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

H, kJ/mol Enthalpy of Zinc Sulfide

Temperature, K

solid, beta

solid, alfa

Enthalpy of Formation =-201.669 kJ/mol

13.389298.15 K

ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

Το έργο « Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.