Lataa esitys
Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota
1
Metallurgiset liuosmallit: Yleistä
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 2 - Luento 3 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
2
Tavoite Tutustua ideaali- ja reaaliliuosten käsitteisiin
Tutustua liuosmalleihin yleisellä tasolla Liuosmallien jaottelu Hyvän liuosmallin kriteerit Oppia tarkastelemaan kaasuseoksia laskennallisesti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
3
Faasien termodynaaminen mallinnus
G = f(T,p,liuosomin.) Puhtaat aineet Seokset G = f(T,p) G = f(T,p,(xii)) Ideaaliliuokset Reaaliliuokset G = f(T,p,(xi)) Ideaalikaasut Reaalikaasut Kondensoituneet reaaliseokset G = f(T,p,(pi)) G = f(T,p,(pii)) Hallittavia asioita - Standarditilat - Koostumuksen esittäminen - Aktiivisuuskertoimen (eksessi-funktion) arvon määrittäminen Matemaattiset liuosmallit Fysikaaliset liuosmallit i = f(matem. malliparametrit) i = f(aineen rakenne) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
4
Liuosten koostumuksen esittäminen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
5
Ideaaliliuokset Eri osaslajien väliset vuorovaikutukset samanlaisia
Osaslajien reagointiin vaikuttavat vain niiden omat pitoisuudet liuoksessa Ideaaliliuoksen ominaisuudet muodostuvat lineaarikombinaationa osaslajiensa ominaisuuksista Aktiivisuutta voidaan kuvata pitoisuudella: ai = xi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
6
Ideaaliliuokset Kemiallinen potentiaali on muotoa:
iid = i0 + RTlnyi (yi on jokin pitoisuusmuuttuja) Yleensä pitoisuusmuuttujana on mooliosuus (xi) iid = i0 + RTlnxi Voidaan käyttää myös muita pitoisuusmuuttujia kuten kationi- tai anioniosuutta tai osuutta tietyssä hilapaikassa olevista atomeista/ioneista Standarditilavalinnat! Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
7
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kuva: Fletcher (1993) Chemical thermodynamics for earth scientists. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
8
Ideaaliliuokset Ideaaliliuokset ovat harvinaisia laajoilla pitoisuusalueilla Tietyillä rajoitetuilla pitoisuusalueilla jotkut liuokset voidaan esittää riittävällä tarkkuudella käyttäen ideaaliliuostarkastelua esim. Fe-Mn(l) ja MgO-CoO(s) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
9
Ideaaliliuokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Kuva: Elliott, Gleiser & Ramakrishna (1963) Thermochemistry for steelmaking. Volume II. Thermodynamic and transport properties. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
10
Ideaaliliuokset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Kuva: Elliott, Gleiser & Ramakrishna (1963) Thermochemistry for steelmaking. Volume II. Thermodynamic and transport properties. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
11
Reaaliliuokset Reaaliliuoksissa erilaisten osaslajien välillä vallitsee erilaisia veto/hylkimisvoimia Aineiden kemialliseen käyttäytymiseen vaikuttavat oman pitoisuuden lisäksi myös liuoksen muut ominaisuudet Reaaliliuoksia ei voida kuvata pelkkää pitoisuutta käyttäen: i = i0 + RTlnai Liuosmallit kuvaavat aktiivisuuden (ai) riippuvuutta pitoisuudesta ja muista olosuhdemuuttujista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
12
Epäideaalisuus ja liuosmallit
Liuosmallien avulla kuvataan reaaliliuosten termodynaamisia ominaisuuksia Liuosmallit ovat matemaattisia kuvauksia systeemin osaslajien (tai koko systeemin) eksessifunktioiden (Ex/GEx) koostumus-, paine- ja lämpötilariippuvuuksista Matemaattinen muoto voi olla mitä tahansa Yksinkertaisin tapaus on ideaaliliuos (ai = xi) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
13
Reaaliliuosten käsittelyä rajoittavia tekijöitä
Malleja koskevan teoreettisen tietämyksen puute Millainen malli kuvaa parhaiten tiettyä liuosta tietyissä olosuhteissa (laaja alue)? Tietokoneet mahdollistaneet monimutkaisemmat mallit Malleissa tarvittavien termodynaamisten taulukkoarvojen puute (ei ole määritetty) Vaikeus määrittää taulukkoarvoja tarkasti korkeissa lämpötiloissa Uusi malli Uudenlaiset malliparametrit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
14
Hyvän liuosmallin kriteerit
Teoreettinen tausta kunnossa Parametrien mielekkyys Määrä Merkitys Laajennettavuus, ekstrapoloituvuus Oltava sovellettavissa käytäntöön Sovellusalue käytännön kannalta mielekäs Malliparametrit määritettävissä (tai mieluummin jo määritetty) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
15
Tehtävä Hadfieldin mangaaniterästä (Mn 12 atomi-%) valetaan puhtaaseen kvartsihiekkaan 1700 K:n lämpötilassa. Kuinka suureksi saattaa valukappaleen pinnan Si-pitoisuus [Si] nousta faasien välisen reaktion ansiosta, kun tiedetään, että 0[Si] = 0,0008 ja 0[Mn] = 1? G0f(MnO,1700K) = -62 kcal/mol G0f(SiO2,1700K) = -145 kcal/mol Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
16
Ratkaisu 2 [Mn] + SiO2 = [Si] + 2 MnO
G0R = 2G0f(MnO,1700K) - G0f(SiO2,1700K) = [ 2 (-62) –(–145) ] kcal/mol = 21 kcal/mol G0R = -RTlnK aMnO = aSiO2 = 1 (puhtaita oksideja) aSi = SiXSi = 0,0008XSi aMn = Mn XMn = 10,12 = 0,12 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
17
Ratkaisu (jatkuu) XSi = 0,03592 [Si] 3,6 mol-%
Jos (ja kun) syntyvä MnO liukenee kvartsiin, Si-pitoisuus teräksessä kasvaa suuremmaksi: [Si] = 3,6 mol-% / (aMnO)2 aMnO [Si] 0,9 4,43 at-% 0,8 5,61 at-% 0,7 7,33 at-% Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
18
Kaasujen mallinnus Ideaalikaasuilla aktiivisuuksia vastaavat osapaineet: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
19
Kaasujen mallinnus Gibbsin energia kaasuseoksessa olevalle komponentille i jonka osapaine on pi: ts. ero komponentin i Gibbsin energiassa osapaineen pi ja puhtaan aineen (osapaine = aktiivisuus = 1) välillä Gibbsin energian paineriippuvuuden yhtälö Ideaalikaasuille kemiallinen potentiaali on siis: (jos ptot on 1) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
20
Milloin kaasut käyttäytyvät ideaalisesti?
Yksinkertaiset (epäorgaaniset) molekyylit Esim. O2, N2, CO, CO2, H2, H2O, SO2, SO3 Matalat paineet (alle 1 kbar) Kaikkien kaasujen käyttäytyminen lähestyy ideaalista kun paine lähestyy nollaa Korkeat lämpötilat (T >> Tb ja Tcr) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
21
Milloin kaasut käyttäytyvät ideaalisesti?
Monien käytännön (lue: metallurgin) kannalta tärkeiden kaasujen voidaan olettaa käyttäytyvän ideaalisti Epäideaaliset kaasut lähinnä orgaanisessa kemiassa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
22
Reaalikaasujen termodynaaminen mallinnus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
23
Kondensoituneiden seosfaasien termodynaaminen mallinnus
Kondensoitunut faasi = Ei-kaasumainen faasi (sula tai kiinteä) Osaslajien väliset vuorovaikutukset monimutkaisempia kuin kaasuissa Riippuvat faasin fysikaalisesta rakenteesta Vaikuttavat osaslajien kykyyn ottaa osaa kemiallisiin reaktioihin (eli osaslajien aktiivisuuksiin) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
24
Kondensoituneiden seosfaasien termodynaaminen mallinnus
Vuorovaikutusten monimutkaisemmasta luonteesta johtuen myös aktiivisuuden koostumusriippuvuuden matemaattinen kuvaaminen on vaikeampaa kondensoituneille seosfaaseille kuin kaasufaaseille Ns. liuosmallit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
25
Liuosmallien jaottelu
Matemaattiset liuosmallit Matemaattisia kuvauksia eksessifunktioiden p-, T- ja xi-riippuvuuksille Malliparametrit eivät kuvaa mitään fysikaalista ominaisuutta Faasin fysikaalinen rakenne ja olomuoto eivät rajoita mallin muotoa Fysikaaliset liuosmallit Mallin matemaattinen muoto ja parametrien merkitys on sidottu seoksen rakenteeseen Parametreillä jokin fysikaalinen merkitys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
26
Teema 2 Tehtävä 3 Deadline: 6.10.2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Samankaltaiset esitykset
© 2024 SlidePlayer.fi Inc.
All rights reserved.