鋁熱反應(yīng)原理

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1、.第三章鋁熱反應(yīng)原理鋁熱焊是基于鋁熱反應(yīng)放出的化學熱進行的焊接過程。同時，在高溫條件下，鋁熱焊還會伴隨多種反應(yīng)，化學反應(yīng)的熱力學決定了反應(yīng)是否具備進行的基本條件，即反應(yīng)是自動進行，還是需要某種條件。冶金熱力學的研究對象自然是冶金過程賴以存在的冶金化學變化，物理變化和相變化。所謂冶金化學反應(yīng)平衡指的是兩項相對獨立而又相互聯(lián)系的內(nèi)容：在一定條件下反應(yīng)能否按預(yù)定方向自動進行；若能自動進行，則能進行到什么程度或限度．概括起來就是方向和限度問題在冶金中能量平衡—般表現(xiàn)為熱平衡，其基本根據(jù)是冶金化學變化，物理變化和相變化中的能量效應(yīng)，例

2、如放熱和吸熱在此基礎(chǔ)上建立了冶金反應(yīng)和單元冶金過程的理淪熱平衡．從而可計算放熱反應(yīng)(包括燃燒)的最高溫度，吸熱反應(yīng)所必需的供熱量以及為單元冶金過程的熱制度提供依據(jù)．動力學的基本任務(wù)是研究各種因素（諸如溫度、壓力、濃度、介質(zhì)、催化劑）對反應(yīng)速率的影響，以揭示化學反應(yīng)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，達到控制化學反應(yīng)的目的。第一節(jié)鋁熱反應(yīng)的熱力學原理一熱力學第一定律對宏觀體系而言，熱力學第一定律就是能量守恒原理。熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所具有的特殊形式。通常表述為“..能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種

3、形式，從一個物體傳遞給另一個物體，而在轉(zhuǎn)化與傳遞中能量的總數(shù)量總是保持不變?！币粺崃W第一定律的數(shù)學表達式與焓1.內(nèi)能內(nèi)能是蘊藏于體系內(nèi)部的能量，是指體系內(nèi)分子運動的動能，分子間相互作用的位能，以及原子、電子的運動能和核能的總和。它不包括整個體系的動能以及體系在外力場中的位能。用符號表示為U。內(nèi)能是狀態(tài)的函數(shù)。體系從狀態(tài)A變到狀態(tài)B，可能有多種路徑，但從不同的路徑進行變化，最終的內(nèi)能增量⊿U是一致的。2.數(shù)學表達式用數(shù)學公式表達，熱力學第一定律可以表示為：⊿U=q-W其物理意義是：體系所吸收的熱量q減去對環(huán)境所作功W，等于內(nèi)

4、能的增量⊿U。3.焓當化學反應(yīng)、相變過程和變溫過程是在等壓下進行的（通常是一大氣壓），如果體系除體積功外不作其它功，則有：⊿U=qp-P外（V2-V1）由于等壓過程中P外=P2-P1所以有U2-U1=qp-(P2V2-P1V1)整理后變?yōu)椋海║2+P2V2）-（U1+P1V1）=qp（2-1）由于U和PV都是由狀態(tài)決定的，顯然它的變化值[（U2+P2V2）-（U1+P1V1）]也由體系的始、終態(tài)決定而與途徑無關(guān)。這就是說，U+PV體系的一個狀態(tài)函數(shù)。把這個復(fù)合量用H表示，這就是焓。..引入焓的概念，2-1式變?yōu)楱SH=qp此式

5、說明體系在不做非體積功的情況下，等壓過程中所吸收的熱等于體系焓的增量。一鋁熱反應(yīng)的化學熱效應(yīng)鋁熱反應(yīng)進行時有劇烈的放熱現(xiàn)象。由于應(yīng)用于鋁熱焊的鋁熱反應(yīng)是在常壓下進行，所以可用⊿H來表示等壓熱效應(yīng)。注明了反應(yīng)熱的化學方程式為熱化學方程式。鋁熱焊的主要化學反應(yīng)式：3FeO+2Al＝3Fe+Al2O3+833.9kJ（2-2）Fe203十2Al＝2Fe十Al2O3十828.9kJ（2-3）3Fe3O4十8Al＝9Fe十4Al2O3十3232.4kJ（2-4）式中：FeO——氧化亞鐵；Fe2O3——三氧化二鐵；Fe3O4——四氧化三

6、鐵；Fe——金屬鐵；KJ——千焦耳。鋼軌鋁熱焊就是利用上述反應(yīng)獲得液壓金屬鐵，同時利用上述反應(yīng)的反應(yīng)熱熔化鋼軌母材而進行的焊接過程。二.熱力學第二定律熵所有自發(fā)進行的過程都是符合熱力學第一定律的，但并不是所有符合熱力學第一定律的過程都可以自動實現(xiàn)。..熱力學第二定律揭示的是過程發(fā)生的可能性及限度。即回答在一定條件下，那些過程能自發(fā)進行（即不需要外界做功）以及自發(fā)進行的限度。自然界中一切自發(fā)過程都是有方向的。例如熱可以由高溫物體傳給低溫物體。水從高處流向低處。這種方向性的根本原因就是物體與環(huán)境所組成的體系內(nèi)部存在著某些物理量的

7、差別，這種差別就是過程自發(fā)進行的推動力。進行到差值消失時，體系就達到了平衡。（一）熵的引出當體系的壓力大于環(huán)境時，體系膨脹作功，當體系的溫度高于環(huán)境時，體系傳熱給環(huán)境。對可逆膨脹功δW可=PdV一個是體系的強度性質(zhì)P，一個是體系的容量性質(zhì)的變化dV。與可逆膨脹功比較，對于可逆?zhèn)鳠徇^程，與壓力P對應(yīng)的強度性質(zhì)為溫度T，假定有一個容量性質(zhì)S，那么容量性質(zhì)的變化為dS，那么對應(yīng)于δW可=PdV就有：（2-5）或：這個容量性質(zhì)就是熵。（始態(tài)）A（終態(tài)）B不可逆可逆圖2-1（二）由熵變判斷過程進行的方向熱力學第二定律上面所討論的是熵在

8、可逆過程中的變化。在不可逆過程中，熵的變化與T、q的關(guān)系也可以導(dǎo)出：假設(shè)理想氣體的始態(tài)為A，終態(tài)為B。dU可=δq可-δW可dU不=δq不-δW不..由于內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，體系的始、終態(tài)相同，內(nèi)能變化也應(yīng)相同即：dU可=dU不δq可-δW可=δq不-δW不由于可逆過程所作功比相應(yīng)的可逆過程小