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冶金物理化学

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教学大纲

课程编号：020401 开课院系：冶金与生态工程学院

课程类别：必修课 适用专业：冶金工程

课内总学时：78（课内54，实验24） 学分：6

先修课程：物理化学，冶金传输原理

课程教学目的

1．本课程是冶金工程专业本课生必修课程，是一门重点介绍冶金物理化学基本概念、基本原理以及在冶金过程中应用的专业基础课。

2．通过本课程的学习使学生掌握冶金热力学、冶金动力学的基本原理。学会运用这些原理分析和解决生产中出现的新问题；不断地改造旧工艺，创造新工艺，降低生产消耗，提高生产率；不断地向相关学科渗透，扩大冶金物理化学的研究领域。

3. 通过本课程的学习，使学生掌握冶金物理化学基本的实验技能，对冶金中的问题，利用冶金物理化学基础和其他专业知识综合的研究方法。

课程教学基本要求

1．课程重点

热力学基本定理在冶金中应用及标准吉布斯自由能的计算方法；Elingham图的应用；溶液（包括铁液与渣液的活度与活度系数、Wagner模型、分子理论与离子理论模型、标准溶解自由能等）；扩散与传质的基本理论；三个典型的冶金动力学模型（气固相反应动力学、气液相反应动力学、液液相反应动力学）。

2．课程难点

活度的概念及活度标准态的选择；不同标准态活度及活度系数之间关系；相图的基本规则（邻接、相界限构筑、二次体系副分、切线、阿尔克马德、零变点）。含有一个不稳定二元化合物的三元系相图的冷却过程分析；气泡在均相与非均相形核、气泡长大与上升过程动力学机理；液液反应动力学的双膜理论的应用；不同控速条件的气固反应动力学的未反应核模型。

3. 解决办法 1）充分发挥优质教师资源，让国内外著名学者周国治院士给全体学生开第一课－绪论，除全面介绍冶金物理化学的发展及如何在冶金中的应用外，重点指导学生如何学习冶金物理化学，学会解决冶金物理化学中难点问题的方法。2）教师通过举例、通俗化、强调、比较等手段使学生真正掌握教学中的重点和难点。教师在讲解重点和难点内容的过程中，要放慢速度，举一反三。3）每章教学内容完成之后，助课老师对内容进行总结，讲解习题中的问题，针对不同章节的内容，讲有代表性的例题。在这些过程中，也把重点和难点内容再一次渗透进去，又一次达到了举一反三的作用；4）针对重点和难点内容，每次课后留一至两道思考题，用“探究性”的学习方式，充分发挥学生的主观能动性，给学生指定不同的参考书中的相关内容，要求学生课外阅读，学生尝试自己解决这些知识点。如对于“活度的概念及活度标准态的选择”问题，要求学生阅读魏寿昆院士编著的“冶金过程热力学”的有关章节，对于“液液反应动力学的双膜理论的应用”，要求学生阅读韩其勇教授编写的“冶金过程动力学”的相关章节等。针对这些问题，也作为作业，要求学生写出评论。

通过教学中采取了以上方法，对解决教学过程中出现的重点和难点，收到了很好的效果。

4．能力培养要求

重点要求学生牢固地掌握冶金物理化学的基本概念和基本原理，独立完成大量习题，能够正确熟练地计算冶金体系中化学反应的吉布斯白由能变化，判断化学反应的方向和限度，分析化学反应的反应机理，独立完成要求的四个实验。以课堂讲授为主，辅以习题课、课堂讨论及答疑，提高作业数量及批改质量，对重点学生加强答疑，在条件成熟时实现多媒体教学。

教学内容与学时

冶金物理化学课程全部学时78学时，分三个知识模块，分别为：

第一部分 冶金热力学 28学时

绪论 （2学时）

现代冶金过程与冶金物理化学；

冶金热力学与冶金动力学的最新发展；

如何学习冶金物理化学？

1． 热力学基本定理在冶金中的应用 （5学时）

1.1 几个基本公式

体系中组元i的自由能的描述

理想气体体系中组元i的自由能

液相体系中组元i的自由能

固相体系中组元i的自由能

等温方程式的导出 等压方程式与二项式

1.2 冶金热力学计算中标准自由能的获得

用积分法计算；例题（注：讲不定积分法，学生阅读定积分法）

由积分法得到的标准自由能求化学反应标准自由能与温度的二项式

由标准生成自由能和标准溶解自由能求化学反应的标准自由能（二项式）

由电化学反应的电动势；

由自由能函数。

2．热力学参数状态图 （10学时）

2.1 Ellingham图

氧势图的形成原理

氧势图的热力学特征（特殊的线；直线斜率；直线位置）

氧势图的应用（氧气标尺；Jeffes图学生自学）

2.2 相图分析方法及基本规则

复习与总结在冶金中常用的二元系相图及相图的基本定律（相律；连续原理；相应原理）

三元系相图的构成

三元系浓度三角形性质（垂线、平行线）

三元系浓度三角形性质（等含线；定比例；直线；重心）

简单共晶型三元系（图的构成；冷却组织及量；等温线与等温截面）

具有一个稳定二元化合物的三元系

具有一个不稳定二元化合物的三元系（图的特点；分析特殊点的冷却过程）

相图的基本规则（邻接；相界限构筑；二次体系副分；切线阿尔克马德；零变点）

相图正误判断

3．冶金溶液 （10学时）

3.1 铁溶液

活度的定义及活度的标准态与参考态

不同标准态活度及活度系数之间的关系

标准溶解自由能

多元系铁溶液中组元的活度??活度相互作用系数

二元正规溶液

3．2冶金炉渣

炉渣的性质（碱度；过剩碱；氧化还原性）

分子理论

捷姆金完全离子理论

4．冶金热力学应用 (2学时)

三方面的例题：炼铁过程热力学；炼钢过程热力学；有色冶炼热力学

第二部分 冶金动力学 26学时

5．冶金反应动力学基础 (6学时)

5．1 化学反应速率及反应级数

反应进度与速率

n级不可逆反应与1级可逆反应方程

5．2 反应速率与温度的关系

反应速率常数与温度、活化能关系式、物理意义

5．3 边界层理论

扩散与传质

边界层

传质方程

5．4 双膜理论模型

多相问题引出

双膜理论及问题解析：稳态过程、控速环节、传质系数）

5. 5 多相反应动力学问题处理方法

多相问题特征与解析方法，举例

6．多相反应动力学 （20学时）

（重点反应特点、机理步骤、建立方程与获取动力学参数）

6．1 气一固反应（8学时）

6.1.1 气-固反应特点与处理思路

气固反应特点、处理方法

6.1.2 几种特殊气-固反应的动力学过程

金属氧化

碳酸盐分解

碳燃烧的动力学机理，解析特点，举例

化学反应控速时碳颗粒燃烧反应动力学方程

6.1.3 未反应核模型的理论推导

金属氧化物气相还原动力学机理

未反应核模型适应条件、理论推导

6.1.4 应用实例与动力学参数获取

未反应核模型特殊条件下：外扩散、内扩散或界面化学反应控速应用及动力学参数获取，举例

6．2 气一液反应 （8学时）

6.2.1 气泡形成机理与动力学过程

碳-氧反应 钢液内气泡均相与非均相形核、气泡长大与上升动力学机理

6.2.2 钢液中碳-氧反应动力学

吹氩脱碳反应动力学机理

不平衡参数与脱碳速率

低碳钢或高碳钢脱氧动力学方程求解

6.2.3

真空脱气与吹氩脱气反应动力学

真空脱气与吹氩脱气反应动力学

吹氩量或气体浓度随时间变化

6. 3 液一液反应 （4学时）

液-液反应动力学机理与动力学方程

锰氧化反应控速环节讨论

6．4 液－固反应（自学）

固-液相反应特点、应用范围及典型实例介绍：炉渣-耐火材料反应实例

第三部分 实验教学（24学时）

序

号 实验项目 内 容 提 要 实验

学时 每组

人数 实验

类型

1 高温综合实验 高温炉结构，温度场测量、气体净化、铜液定氧、高温数据采集和处理 6 4 综合

2 热分析设计试验 TG-DTA(DSC)法测量含水草酸钙在加热过程中质量变化及热分解温度 6 4 动力学

3 熔体物性综合测定 炉渣熔点测定、粘度测定、 6 4 热力学

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冶金物理化学研究方法 (下册) 第十一章 冶金熔体粘度测定

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冶金熔体粘度测定

冶金熔体粘度测定是冶金科学中重要的实验测试方法之

一，它可以提供有关金属熔体的物理性质息，包括流动性、密度、温度、粘度等。熔体粘度测试有助于了解金属熔体的流变行为，它是冶金工艺中的重要参数，也是评价冶金材料性能的重要参数。

冶金熔体粘度测定基于流变学原理，其实验原理是采用不同温度、不同流速的熔体，在一定时间内测量其粘度。熔体流动时，摩擦阻力的大小取决于熔体的物理性质，特别是其粘度，测量熔体粘度的实验结果可以表示为熔体粘度曲线，可以从中推测出熔体的物理性质。

冶金熔体粘度测定的实验设备包括温度控制设备、流量计、粘度计等，主要用于控制熔体的温度和流量，测量熔体的粘度。由于熔体流动时会产生高温，因此在实验时需要注意安全防护。

熔体粘度测定的实验过程主要包括样品的准备、测试环境的设置、实验过程的控制和结果的记录几个步骤。首先，要把样品熔融，使其保持恒定的温度。然后，使用流量计和粘度计来测量熔体的流速和粘度。最后，将测试结果记录在实验报告中，测量熔体的粘度曲线。 冶金熔体粘度测定是一种重要的实验方法，可以提供有关金属熔体的物理性质的有价值的息，有助于了解冶金材料的流变行为，并且可以提供冶金工艺中重要的参数，为评价冶金材料性能提供重要参考。

冶金物理化学等温方程式知识点

冶金物理化学等温方程式知识点

2）重点掌握化学反应等温方程式

lnGGRTQ

G有三种情况

1）0G，以上反应不可以自动进行；

2） 0G，以上反应可以自动进行；

3） 0G，以上反应达到平衡，此时

GRTLnK

注：

（1）G是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向（反应能否发生的判据）；

cdCDabABaaQaa

表示任意时刻(不平衡状态)的压强商或活度商。

（2）G是反应产物与反应物处于标准态时自由能的差，表示反应的限度（反应平衡态的度量）。GRTLnK的关系式，建立了体系处于标准态时能量差和处于平衡态时各组元量的关系。

K是反应的平衡常数。 cdcDabABaaKaa

其中，组元A、B、C、D有三种情况

（1）若组元是固态时，1ia （i=A,B,C,D）；

(2) 若组元是气态时，iiPa，而iP是组元i的无量纲分压；

（3）若组元存在与液态中，ia表示组元i的活度。其中，在一般情况下

若i在金属溶液中，活度的标准态选1%；

若i在炉渣中，则选纯物质为标准态。

多媒体在高职院校冶金物理化学教学中的运用

多媒体在高职院校冶金物理化学教学中的运用

第 1 页 多媒体在高职院校冶金物理化学教学中的运用

【关键词】多媒体 冶金物理化学 教学 运用

冶金物理化学是应用物理化学的方法讨论冶金材料制备过程，以试验为基础进展起来的学科，是冶金及材料学科的一个重要分支。该课程理论性强，概念和公式多，内容涉及学问面广，涉及到无机化学、物理化学、冶金动力学、冶金热力学和传输原理等学科学问，是一门同学难学老师难教的专业必修课。我院在开设《冶金物理化学》之前，同学只学习了《无机化学》相关学问，没有足够时间学习物理化学等前置课程，同时目前还没有适合高职院校同学的教材，要让同学在短的时间内把握这门课程不简单。笔者经过长时间实践把多媒体技术引入该课程的教学之中，取得了良好的效果。

多媒体技术是指利用计算机综合处理图形、动画、音效、文字等多种媒体信息，并配有形象的图片，具有集成性、交互性等特点。利用多媒体技术制作的多媒体课件，不仅具有直观、形象、生动的特点，而且还能实现大与小、动与静、远与近、虚与实之间的`转换，信息量大，交互便利。多媒体技术是较为成熟的视听技术和传播科学，被应用在教学中，对实施教学目标，优化教学过程，提高教学效率有着不行低估的作用。

一、运用多媒体教学可节约时间、提高课堂效率，有效解决高职院校学时少的问题

在传统的冶金物理化学教学中老师始终离不开一本书、一支笔、一块黑板的模式，更有一半以上的时间对抽象、难理解的概念性问题 第 2 页 的讲解，还要花费大量的时间在黑板上板书，而同学既要听课，又要笔记，不行能把精力全部集中到老师讲课内容上，因此传统的课堂教学节奏慢，课堂容量小，效率低缺点就更加突出。在教学中，笔者采纳多媒体技术，有效克服了以上困难。如第一章冶金热力学部分，主要是通过热力学三大定律对冶金过程进行热力学计算，书里提到许多概念，如焓变，吉布斯自由能等，这些概念大都在物理化学中具体讲解，之前只在无机化学中提了一下，但不够具体，由于学时限制不行能花费大量的时间来讲解这些概念。采纳多媒体教学，将这些概念的定义，作用及相关公式制成PPT课件，在讲课时一边播放一边讲解，这样既可以将相关内容补充进去，又节约板书的时间，即便所讲的内容同学在课堂没有完全把握，课后还可以把课件复制回去渐渐理解。这样既节省了大量的时间，又确保教学任务能顺当完成。

冶金工程的二级学科和三级学科

冶金工程的二级学科和三级学科

冶金工程作为一门重要的工科学科，涉及到广泛的知识领域和专业技术。在冶金工程领域中，二级学科和三级学科是非常重要的细分学科，对于学科体系的建立和发展有着重要的作用。本文将围绕冶金工程的二级学科和三级学科展开讨论，探讨其研究内容、学科特点和发展趋势。

一、冶金工程的二级学科

1.1 金属材料学

金属材料学是冶金工程的一个重要二级学科，主要研究金属材料的组织结构、性能及其加工制备过程。其研究内容涉及金属材料的晶体结构、力学性能、热处理工艺等方面，是冶金工程中的基础学科之一。

1.2 冶金物理化学

冶金物理化学是冶金工程中的另一个重要二级学科，主要研究金属材料的物理化学性质及其在冶金过程中的应用。其研究内容涉及金属的相变规律、溶质扩散动力学、金属表面化学反应等方面，对于提高金属材料的性能和开发新型金属材料具有重要意义。

1.3 冶金工艺学

冶金工艺学是冶金工程中的另一个重要二级学科，主要研究金属材料的提取、精炼、合金化及成形加工等工艺过程。其研究内容涉及矿石选矿、冶炼炉的设计与运行、金属材料的成形加工工艺等方面，是冶金工程中的应用学科之一。

二、冶金工程的三级学科

2.1 有色金属冶金

有色金属冶金是冶金工程中的重要三级学科，主要研究有色金属（如铜、铝、镁、锌等）的提取、精炼及其合金化工艺。其研究内容涉及有色金属矿石的选矿提炼、湿法冶炼、电解精炼等方面，对于推动有色金属工业的发展具有重要意义。

2.2 钢铁冶金

钢铁冶金是冶金工程中的另一个重要三级学科，主要研究铁、钢的提炼、精炼及其热处理工艺。其研究内容涉及高炉冶炼、转炉精炼、钢铁热加工工艺等方面，是冶金工程中的重要应用学科。

2.3 冶金材料工程

冶金材料工程是冶金工程中的另一个重要三级学科，主要研究金属材料的性能设计、成形加工及其在工程领域中的应用。其研究内容涉及金属材料的强化改性、组织控制、材料表面工程等方面，对于提高金属材料的性能和拓展其应用领域具有重要意义。