Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Выразим согласно закону Дальтона парциальныс давления атомарного РА и молекулярного РА газов (прн степенн днссоз цпацнн а) как отношение числа частиц каждого газа к суммарному числу частиц: 2ило 2а (1 — а)ло 1- а РА- ' Р„= — РО,РА2= Ре= — р'(857) ие(!еа) !еп з (1+п)ло где Ро - обшсе давление газовой смеси, прнннмаемое за единицу (!О Па, нлн 1 атм). з Найдем константу равновесия Кр рассматриваемой реакции Т прн конкретной температуре Т, для которой рассчитаем степень диссоциация. Подставив (8.57) в уравнение (8.45), с учетом стехиометрнческнх козффнцнентов нз (8.56а) н допушення ро— - 1 получим; г РА (2аро)2 /(1-п)ро Ро4п Р (, „)2/ (!чц) (! 2) (8.58) Отсюда выразим степень диссоциация: ~ .г г К" а=а 44Кг Р Далее, вычислив К с помошью (8.44) н (8.42), определим а, а Т Т затем, подставив значеннс а =а в (8.57), получнм РА н РА . г Из (8.56а) следует, что из одной молекулы А2 образуются две частицы газа.
Следовательно, из ло молекул прн степени диссоциация а получаем 2а ло частиц н остается ло — а ло частнц. Суммарное число частиц в смеси прн степени днссоцнации а будет равно: (8.60) 2 РОО РО2 К Р 2 РСО, (8.61г) арля 1- а Рл "— Рв = ' Рлв=- Ро (1-а) )ча ! — а (1 о а l 2) Ро (8,6!д) СОг ~ СО е О; 2СОг зп 2СО ь 02, СОг кз С ь 2О. (8,6)а) (8.616) (8.61в) (Кр — !)а -ЗаКр ь2Кр --О. (8.61е) 345 344 Обычно рассчитывают значение одной из величин: рл или рл„ а затем дополнением его до единицы находят значение второй величины.
Задавая предельные значения а(0 нли 1), можно сократить Расчеты. Если пРи Расчетах оказываетсЯ, что 18КР > 3, то пРинимают а =- 1, если 18КР < -4, можно принимать а = О. Аналогично, рассчипавая степень диссоциации лвухатомных газов при температуре Т для реакции, идущей по типу АВ = А о В, можно получить выражение и затем определить парциальные лавления концентрации Рю рв и Рлв Более сложным является определение степени диссоциацин трсхатомных газов, На примере углекислого газа можно заметить, что термическаа диссоциация идет по нескольким вариантам реакции: Для каждого варианта степень днссоциации рассчитывается по своей формуле.
Покажем принцип расчета а на примере диссошшции СО2 по уравнению (8.6! 6). Примем, что исходное число частиц СОг равно ло. При нагреве СОг в температурном интервале диссоциации со степенью диссоциацни а газовая смесь состоит из Ог, СО и СОг. Молекулярный кислород образуется из числа (ало) молей СО2, для которых диссоциация прошла, в слелуюшем соотношении: из 2 моль СО2 образовался 1 моль Ог (т.
е. число частиц О равно ало!2). Число частнп СО также определяется числом расгр павшихся молекул СОг, но в соотиопгении 1:1, т. е. их число равно ало. Можно записать, что в любой момент диссоциации ве!цества, участвуюшие в ней, имеют следуюшее число частиц: Вещество Число частиц Оо,.......,,,........,.......,....,........,........ аяв2 СО...........,.........,......................,.......... аяо СОо.......,.....................................,.......... яо-ало=во(1-а) Обшес число частиц равно ло (1 о а)2). Используя условия термодинамнческого равновесия, запишем константу равновесия реакции (8.6! 6); Согласно закону Дальтона парциальные давления компонентов смеси равны: а)2 а РО Ро' РОО = Ро' 1-оа!2 1<а22 Подставив выражения (8.6! д) в (8.61г), получим уравнение относительно а: Уравнение (8.61е) решают численным методом.
Находят значениа К для некоторых значений со в диапазоне 0<а<1 и строят кривые зависимости а(18К ) для каждого уравнения, соответствующего типовым реаюшям. Результаты решения в виде номограммы приведены на рис. 8.8 для четырех типовых реакций (табл. 8.4). к которым можно привести различные случаи термической днссо- 0,6 а рн 1О,Па рь 10, Па ~ 18кр 0,998 0,002 0,00084 3000 -5,5484 О,ЯЮ0028 0,071 4000 — 2,2597 0,0055 0,037 0,929 0,230 4500 -1,1491 0,071 0,13 0,769 0,481 0,519 5000 -0,2535 0,558 0,35 0,795 0,205 3,057 0,66 5500 0,4853 0,930 12,76 0,87 0,070 6000 1,1095 О.990 123,7 0,98 0,010 7000 2,0925 0,001 698,3 0,997 8000 2,8441 346 347 ц цнации двух- н трехатомных газов, 0,8 Расчет степени днссоциации и кон.
кретного газа при любой температуре сводится к выбору одной из типовых реакций и соответствующей кривой на 0,4 номограмме (см. рнс, 8.7), представ- 0,2 лающей графические зависимости и(!8 Кр). Выбор логарифмического аргумента функции удобен тем, что — 6 -4 -2 0 )8Кг прн расчете константы равновесна Рнс. 8.8. Номограмма лля сначала вычисляют значение 18К определенна степени термической лнссоциацнн задав 7 по Формуле (8.42) и переходя в типовых реакциях 1-( от натурального логарифма к десятнч(см.
табл. 8.4) двух- н трех ному. Затем по номограмме находят атомных газов значение а, которое для найденного значения 18К лежит на кривой, соот- ветствующей выбранной типовой реакции. Таяявяа А4. Тыловые реакцнв диссоцнацнн газов н функцнояальная свнзьа =((Х ) Првмер 8.6. Рассчитать степень диссоциация молекулярного азота и состав газовой среды (парцнальные давления атомарного н молекулярного азота) прн температурах Т = 3000...8000 К.
Рмненлв Термическая диссоциация описывается формучой хнмической ремщнн Хз зы 2Н. Степень диссоциация опрелеляется по уравнению (8. 59) даа крнвой 1 (см. табл. 8.4), а парцнальные давлении атомарного и молекулярного азота — по закону Дальтона (см. (8 57)). Прн этом ре = 10 Па 5 Сначым вычислим изменение энтальпин, энтропии в нюбарной молярнод тепяоемкостн в резулюате днссопнацни азота при стандартных термодннамическвх условиях: 07( = 716 кЛж(моль, 05 114,9 Дж/(маль К), ЛСр =12,48 Дж((моль К).
Подставив этн значения в выражение (8.46), получим: 18Кр = — 37408 61Т + 6 003 э 0 652Ме. Затем рассчитываем зиаченне величины 18Кг прн раюичных температурах. Результаты расчетов сведены в табл. 8.5. Анакогичные расчеты лля других тазов подтверждают, что молекула азота более тсрмостойкая, чем молекулы других атмосферных газов. В зоне столба дуги прн Т = 5500 К степень днссоцнацнн Хз достнгыт 66 58 На основании проведенного расчета делаем вывод о том. что молекула Хз является термостойкой, распад начинается прн Т = 4500 К и не заканчивается прн 8000 К. Тяяллле 85.
Степень днссоцвацнв в состав газовая фазы нрн днссеннаннн нюта 8.9.2. Расчет потенциалов нонизацмн газов При высоких температурах в газовой фазе луги находится и ионизированный гп, т. с. ионы, получившие положительный или о 0 отрицательный зарядпореакцин Н вЂ” е= Н + еили р + с = у . Различают однократную и многократную ионизапню (см, равд. 2.2.7). Потенциалы однократной ионизации приведены в табл. 8.6. Термическая ионизация (см. Равд. 2.2.8) играет важную роль в горении дуги, являясь поставщиком элементарных частиц. Процесс характеризуется степенью иониюцни 2, т.е. отношением числа ионизированных частиц к общему числу частиц.
Степень ионищции рассчитывают по уравнению Саха (см. (2.50)). Из табл. Я.б следует, что атмосферные и инертные газы имеют большой потенциал ионизации, что затрудняет возбуждение дуги и ее стабильное горение, Снижения потенциала ионизации достигают смешиванием газов н паров металлов. Тайллкя 8.6; Патенцнал однократной неннзацнн некоторых веществ Ионизацию смеси газов и паров оценивают эффективным потенциалом ионизация (7 ) (см.
равд. 2.4.3). Его расчет связан с определенными трудностями, так как иа ионизанию оказывает больцюе влияние как состав (процентное содержание компонентов), так и качество ионнзирусмых частиц, т. е. наличие элементов с высоким или низким потенциалом ионизации. Приближенную оценку эффективного потенциала ионизации смеси (7 9 при температуре Тполучаюз по формуле В.В. Фролова(см.(2.52)), Моляриую концентрацию компонентов определяют по количеству и данного газа в смеси илн по его парцнсльному давлению ! Рг: ;: С = л,(л = р 1р.
Определение реальных молярных концентраций компонентов смеси представляет главную трудность расчета. Они зависят от относительных масс компонентов, упрупх."ги их паров, состава фаювых окстем (тверлое или жидкое состояние) и др. Поэтому расчет получается приближенным. гф эВ 1 Номер элемента в лсряоличсская системе Пегснвлая вслвззпяя цсшсстно Атомная массе ' Азот Водород 1 0079 14,0001 15 8 13 61 Кисло д Алюминий 15,99 26 9815 13 А гон 39 948 !8 15 76 Гелий 4,0026 24,58 Титан 48 6,8 Медь 63 29 77 13 5 Кисло од 16 14 4 СО 16 9 18 998 7 90 55 847 Железо Никель 7 63 28 58 71 19 19 102 Калий 7 98 74 183,85 Воль вм Кальций 611 20 40 08 5 14 22 98 Наг нй 12 24 305 Маний К еминй 7 94 !4 28 74 54 Мв ганей 5,4 Литий 13 0 Вола 9,3 НО 11,26 349 12,01 Угтс од 348 Пример 8.7.
Рассчитать степень термической нонизаиин паров щюмпнпя, аргонв н гелия, н эффективный потенциал нонизацин газовой смеси, первоначально состоявшей нз 50 % арсена и 50 % гелия, при нзмепсиик количества паров алюминия от О ло 100 % (это имеет места прн сварке алюминия в инертных гювх). Молярные концентрации Аг и Не принять одинаковымн. Рекзеквг, Для расчета термической навигации алюминия по табл. 8.6 находим (б = 5,98 эВ, так «ак алюминий лрнналлсжит к П1 группе периодической системы элемсгпов Менделеева. Задав значение температуры ' 5800 К в столбе луги с нспзавяшимся кагалом, получим Х = 0,3 %.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
