Metallurgiya texnikasining tarixi va rivojlanishi Reja

§ 6. Metallurgik jarayonlarning termodinamikasi
Metallurgik jarayonlarni puxta o‘rganishda shu jarayonlarda kechadigan
fizikaviy va kimyoviy o‘zagarishlarni hamda ular orasidagi bog‘liqlikni bilish
muhim ahamiyatga ega. Chunki bu hodisa va jarayonlarning tub mohiyatini anglab
yetish natijasida zamonaviy metallurgik ishlab chiqarishda turli xil samarali
texnologik jarayonlarni, masalan, avtogen jarayonlar, yuqori tozalikka ega bo‘lgan
metallar va qotishmalar ajratib olish, “kovsh – pech” texnologiyasi, vakuumlash va
shu kabi samarali texnologiyalarni ishlab chiqarishga joriy etishning oqilona
yo‘llarini topish mumkin. Mana shunday nazariy bilimlardan biri – bu metallurgik
jarayonlarning termodinamikasidir. Bu bo‘lim fizikaviy kimyoda juda muhim va
sanoat ahamiyatiga ega bo‘lgan bo‘lim bo‘lib, uni o‘rganish bo‘limdagi dastlabki
va elementar tushunchalarini tushunish bilan amalga oshiriladi.
Termodinamikaning boshlang‘ich tushunchalaridan biri – bu sistemadir.
Sistema – tashqi muhitdan chegara bilan ajratib olingan fazoning bir qismi
bo‘lib, u o‘zining (tarkibiy qismi) konsentrasiyasi – C, energiyasi – E, harorati – T,
bosimi – P, hajmi – V (parametrlari bilan tavsiflanadi.
Sistema bir yoki bir necha tarkibiy qism (komponent)dan iborat bo‘ladi.
Sistemalar tarkibiy qismlarining agregat holatiga ko‘ra gomogen va geterogen
sistemalarga bo‘linadi. Agar sistema bir xil agregat holatdagi moddalar (faqat
gazsimon moddalar, faqat qattiq yoki faqat suyuq) moddalardan iborat bo‘lsa
gomogen (bir jinsli) sistema deyiladi. Masalan, havo, turli gazlarning
aralashmalari, eritmalar, neft. Bularning barchasi gomogen sistemalardir. Ularni
tashkil qilib turgan har bir modda esa komponentlardir. Misol uchun, havo –
gomogen sistema, uni tashkil qilib turgan kislorod, azot va boshqa gazlar –
komponentlarga kiradi.
Agar turli agregat holatdagi moddalar (gaz-suyuq, qattiq-suyuq, qattiq-gaz)
dan iborat bo‘lsa, geterogen (ko‘p jinsli) sistema deyiladi. Masalan, loyqa suv
(tuproq zarrachalari – qattiq, suv – suyuq komponent), oltingugurt bilan temir
kukuni aralashmasi, havodagi chang zarrachalari, kolbadagi eritma bilan cho‘kma
va hokazolar.
Sistema energiyasining bir turdan boshqa turga aylanishi sababi va
qonuniyatlarini o‘rganuvchi fan bo‘limiga termodinamika deyiladi.
Termodinamik tushunchalar, kattaliklar va uning qonunlaridan ishlab chiqarish
jarayonlarining energetik balanslarini hisoblashda, ularni boshqarishda va
modellashtirishda foydalaniladi.
Malumki, barcha jarayonlar sistema energiyasining o‘zgarishi bilan amalga
oshadi (1.9-rasm). Umuman, har qanday jarayonning borishi energiyaning
saqlanish qonuniga bo‘ysunadi. Masalan, bir jismga ortiqcha issiqlik berilsa
(qizdirilsa), avval jism qiziy boshlaydi, ya’ni uning ichki energiyasi (atom,
molekula va boshqa zarrachalar energiyalari yig‘indisi) o‘zgaradi, keyinchalik bu
jism o‘zidan atrof muhitga issiqlik chiqara boshlaydi, ya’ni tashqi muhitga nisbatan
ish bajaradi. Bu holatni quyidagicha ifodalash mumkin:
Q = ΔU + A
Bu yerda: Q – berilgan issiqlik miqdori; ΔU – ichki energiya o‘zgarishi; A –
bajarilgan ish.
Jarayonlar (reaksiyalar) o‘zgarmas hajmda borishi mumkin. Bunday jarayonni
izoxorik jarayon deyiladi (V = const, ΔV = 0).
Ba’zi jarayonlar o‘zgarmas bosimda borishi mumkin, Bunday jarayonlar
izobarik jarayonlar deyiladi (P = const, ΔP = 0).
1.10-rasm. Sistema energiyasining turlari.
Izoxorik jarayonda bajarilgan ish A = P · ΔV ekanligini e’tiborga olsak, u
holda izoxorik jarayonlarning issiqlik effekti: Q_v = ΔU + P ΔV bo‘lib, A = P · ΔV
= 0 bo‘lgani uchun Q_v = ΔU bo‘ladi. Demak, hajm o‘zgarmasdan boradigan
jarayonlarning issiqlik effekti shu sistema ichki energiyasining o‘zgarishiga teng.
Ichki energiya boshqa turdagi energiyalar singari sistema holatining funksiyasi
hisoblanib, sistemaning dastlabki holati bilan oxirgi holatiga bog‘liq:
ΔU = U_ox – U_bosh
Bu yerda: U_ox va U_bosh – sistemaning oxirgi va dastlabki holatdagi ichki
energiyalari, kJ/mol.
Izobarik jarayonlar uchun Q_p = ΔU + PV bo‘ladi. Ularning qiymatlari o‘rniga
qo‘yilsa, ΔU = U₂ – U₁ va ΔV = V₂ – V₁ ekanligini e’tiborga olsak, Q_p = (U₂ – U₁)
+ P(V₂ – V₁) = (U₂ + PV₂) – (U₁ + PV₁) bo‘ladi. Bu ifodadagi (U + PV) yig‘indi
sistemaning biror holatini belgilab: (U + PV) = H ga tengdir. Bu yerda: H –
entalpiya sistemaning issiqlik tutumi deyiladi.
Demak, izobar jarayonlarning issiqlik effekti Q_p = ΔH bo‘lib, u sistema
entalpiyasining o‘zgarishiga teng:
Q_p = H_ox – H_bosh = ΔH
Har qanday reaksiyaning issiqlik effekti uning qanday va necha bosqichda
borganligiga emas, balki moddalarning boshlang‘ich va oxirgi holatlariga
bog‘liqdir. Bu Gess qonuni deyiladi va uning matematik ko‘rinishi quyidagicha:
ΔH_reaksiya = ∑ Hh.b.mahsulot – ∑ Hh.b._{dast. modda}
Bu ifodada ΔHh.b. – moddalarning “hosil bo‘lish issiqligi” bo‘lib, uning
ma’nosi – oddiy moddalardan “1 mol” murakkab modda hosil bo‘lishida ajralib
chiqadigan (yoki yutiladigan) issiqlik miqdoridir. Kimyoviy reaksiyalarning
issiqlik effektlarini hisoblashda standart hosil bo‘lish issiqligi qiymatidan
foydalaniladi. Bu yerda: ∑ Hh.b.mahsulot – reaksiya natijasida hosil bo‘lgan moddalar
hosil bo‘lish issiqliklarining; ∑Hh.b.dast. modda – reaksiyaga kirishayotgan moddalar
hosil bo‘lish issiqliklarining yig‘indisi.
Moddalarning standart sharoit (25 oC yoki 298 oK va 101,325 kPa) da
o‘lchangan hosil bo‘lish issiqligi shu moddaning standart hosil bo‘lish issiqligi
deyiladi, ΔHo₂₉₈ yoki ΔH_{f 298} holida belgilanadi. Shuni unutmaslik kerakki, oddiy
moddalar (Fe, C, S, Cr, Al, Si, H₂, O₂, Cl₂, Br₂, I₂, F₂ va hokazo)ning standart hosil
bo‘lish issiqliklari qiymati nolga teng, ya’ni – ΔHh.b.298 = 0 kJ/mol. Boshqa ba’zi
moddalar uchun ΔHh.b.298 ning qiymatlari ilovadagi jadvallarda yoki fizik-kimyoviy
so‘rovnomalarda keltirilgan bo‘ladi. Shu jadvallardagi qiymatlardan va Gess
qonunining matematik ifodasidan foydalanib, har qanday kimyoviy jarayonning
issiqlik effekti va biror reaksiyada ishtirok etayotgan moddaning hosil bo‘lish
issiqligi qiymatlarini hisoblash mumkin.
Agar kimyoviy reaksiya natijasida issiqlik chiqsa (ΔH < 0) sistema entalpiyasi
kamayadi, bunday jarayonlar ekzotermik jarayonlar deyiladi (1.11-rasm (a)).
Reaksiya tenglamasida – ΔH ifodasi qo‘shib yoziladi:
A + B = AB – ΔH (yoki + Q) (umumiy holda)
NO_2(g) + NO_2(g) = N₂O₄ + 56,9 kJ/mol; ΔH = – 56,9 kJ/mol
Agar kimyoviy reaksiya natijasida issiqlik yutilsa, (ΔH > 0) sistema
entalpiyasi (issiqlik saqlami) ortadi. Bunday jarayonlar endotermik jarayonlar
deyiladi (1.10-rasm(b)). Reaksiya tenglamasida + ΔH ifoda qo‘shib yoziladi:
1.11-rasm. Termokimyoviy reaksiyalar: a) ekzotermik; b) endotermik.
AB = A + B + ΔH (yoki – Q) (umumiy holda)
N_2(g) + O_2(g) = 2NO – 180,74 kJ/mol; ΔH = +180,74 kJ/mol
Agar kimyoviy reaksiya tenglamasida ajralib chiqadigan yoki yutiladigan
issiqlik miqdori ko‘rsatilsa, bunday tenglama termokimyoviy tenglama deyiladi.
Yuqoridagi tenglamalar termokimyoviy tenglamalardir.