Transcript PowerPoint

Tasapainojen määritys ja siihen
liittyvää peruskäsitteistöä
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa
Syksy 2014
Teema 2 - Luento 1
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tavoite
• Kerrata, miten termodynaamisia tasapainoja
voidaan laskennallisesti määrittää
• Muistuttaa mieliin termodynamiikan
peruskäsitteistöä
• Toimia johdantona metallurgisten
liuosmallien käsittelyyn
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Teeman 2 sisältö
• Liuokset ja niiden koostumuksen esittäminen
• Peruskäsitteistöä
–
–
–
–
–
Aktiivisuus ja aktiivisuuskerroin
Gibbsin vapaaenergia ja tasapainon määritys
Kemiallinen potentiaali
Eksessi- ja sekoitusfunktiot
Standarditilat
• Liuosmallit
– Yleistä
– Metallien ja kuonien mallinnus (esimerkkinä WLE)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Mutta ihan alkuun...
• Määritä oheisten reaktioyhtälöiden kertoimet
• Mitä reaktioiden merkinnät kertovat siitä,
missä faasissa aineet esiintyvät?
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Liuokset ja niiden
termodynaaminen mallinnus
• Termodynaamikan kannalta faasit jaetaan:
– Puhtaisiin aineisiin (Koostumus on vakio)
– Seos- eli liuosfaaseihin (Pitoisuudet muuttuvat)
• Seosfaaseilla on siis puhtaisiin aineisiin
verrattuna laajempi stabiilisuusalue
pitoisuuden funktiona
 Seosfaaseja mallinnettaessa on tunnettava
mallinnettavan termodynaamisen funktion (l.
Gibbsin vapaaenergian) pitoisuusriippuvuus
(lämpötila- ja paineriippuvuuksien lisäksi)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Liuosten koostumuksen esittäminen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aineiden reagointiherkkyys
liuoksissa
• Ideaaliliuoksissa aineen ’reagointiherkkyyttä’
voidaan kuvata pitoisuuden avulla (ai = xi)
• Reaaliliuoksissa:
– Osaslajien välillä vallitsee erilaisia veto- ja
hylkimisvoimia
– Aineiden käyttäytymiseen vaikuttavat oman
pitoisuuden lisäksi myös seoksen muiden
osaslajien pitoisuudet (Huomioitava!)
– Pitoisuuden sijasta reagointiherkkyyttä kuvataan
aktiivisuudella; ai
• ‘Aktiivinen pitoisuus’
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuus, a
• Mitta liuenneena olevan aineen mahdollisuudesta
ottaa osaa kemiallisiin reaktioihin verrattuna
puhtaan aineen vastaavaan kykyyn
• Puhtaille aineille: ai = 1
– Kun aktiivisuus on 1, aine on ‘kyllin stabiili’
esiintyäkseen puhtaana
• Ideaaliliuoksille: ai = xi
• Reaaliliuoksille: ai riippuu i:n vuorovaikutuksista
liuottimen ja liuoksen muiden aineiden kanssa
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuus, a
A
A
A
A i
i
A
A
Vetovoima i - A
ai < aiid
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Hylkimisvoima i - A
ai > aiid
Sulaan rautaan liuenneiden Cu:n,
Mn:n ja Si:n aktiivisuudet
koostumuksen funktiona
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuuskerroin, fi, i
• Luku, jolla pitoisuusmuuttuja on kerrottava,
jotta saataisiin ‘tehokas mooliosuus’ eli
aktiivisuus
• ai = xifi
• Kuvaa reaaliliuoksen poikkeamaa
ideaalitapauksesta (ideaaliliuoksille: fi = 1)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aktiivisuuskerroin, fi, i
• Kun fi > 1  ai > aiid
– Liuenneiden aineiden välillä hylkimisvoimia
– Aine reagoi ‘herkemmin’
• Kun fi < 1  ai < aiid
– Liuenneiden aineiden välillä vetovoimia
– Aine ei reagoi ‘niin herkästi’
• Aktiivisuuskerroin ei ole vakio
– fi = f(p,T,xi)
– Kondensoituneissa faaseissa paineriippuvuus on
vähäinen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
• Jonkin osaslajin aktiivisuus tietyssä
liuoksessa voi poiketa ideaalista sekä
positiivisesti (fi > 1) että negatiivisesti (fi > 1),
kun liuoksen koostumus muuttuu
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kuva: Gaskell (1973) Introduction to metallurgical thermodynamics.
Raudan ja koboltin aktiivisuudet
ja aktiivisuuskertoimet
TDTP-kertaus:
Tasapainon määritysongelma
Gibbsin energia: GR = 0
Puhtaille aineille
GR < 0  Spontaani reaktio
GR
= GR(tuotteet)
- GR(lähtöaineet)
G = H - TS
Entalpian
lämpötilariippuvuus
H =  CP dT
Entropian
lämpötilariippuvuus
S =  CP/T dT
Lämpökapasiteetti
lämpötilan funktiona
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Seoksille
GR = GR + RTlnK
joka on tasapainossa:
GR = - RTlnK
Tasapainovakio
K = aituotteet/ajlähtöaineet
Kaasuille:
ai = pi
Ideaali- Reaaliseoksille: seoksille:
ai = xi
ai = xifi
esim. Kelleyn yhtälö
CP = a + bT + cT2 + dT-2
Gibbsin vapaaenergia (G) ja
tasapainon laskennallinen määritys
• Gibbsin vapaaenergian muutos puhtaiden
aineiden tarkastelussa, kun muuttujina on
lämpötila ja paine:
dG  S dT  V dp
– entropiatermi (TDII)
– tilavuudenmuutostyö
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
 SdT
Vdp
Gibbsin vapaaenergia (G) ja
tasapainon laskennallinen määritys
• Gibbsin vapaaenergian muutos seoksille,
kun muuttujina on lisäksi seoksen
komponenttien ainemäärä:
dG  S dT  V dp   µi dni   z j F j dn j   k dAk    
–
–
–
–
–
 SdT
entropiatermi (TDII)
tilavuudenmuutostyö Vdp
µi dni
kemiallinen työ
työ sähkö- ja magneettikenttää vastaan
pintaenergioiden huomiointi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014


k
dAk
z
j
F  j dn j
Kemiallinen potentiaali, 
• Tasapainon määritys  G:n minimi
• Tunnettava G:n käyttäytyminen
– paineen
– lämpötilan
– ja (seosfaaseille) koostumuksen
funktiona
• Seosfaasissa olevan liuenneen aineen
Gibbs’in energia
= Aineen kemiallinen potentiaali; 
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kemiallinen potentiaali, 
i = i0 + RTlnai = i0 + RTln(xifi) = i0 + RTlnxi + RTlnfi
• 1. termi on kem. potentiaalin standardiarvo
– ‘Puhdasainearvo’ (ei riipu liuoksesta)
– i0 = f(p,T)
• 2. termi sisältää liuokselle ominaiset piirteet
– ai = aineen i aktiivisuus = f(p,T,xi)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kemiallinen potentiaali, 
i = i0 + RTlnai = i0 + RTln(xifi) = i0 + RTlnxi + RTlnfi
• HUOM! Aktiivisuus(kerroin) ei ole
yksiselitteinen ilman standarditilan
kiinnittämistä/ilmoittamista
• Osaslajin kemiallinen potentiaali seoksessa
saavuttaa standardiarvonsa (i0)
aktiivisuuden arvolla ai = 1
– Jos standarditila on puhdas aine  ai = 1
puhtaille aineille (mutta VAIN tällä
standarditilavalinnalla)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
• Tasapainossa kaikilla osaslajeilla on
kaikkialla sama kemiallinen potentiaali
• Erot kem. potentiaaleissa toimivat ajavina
voimina kemiallisille reaktioille
• Gibbs-Duhem-yhtälö
– dG = -SdT + VdP + idni
• Tasapainossa:
– -SdT + VdP + idni = 0
• Isobaarinen ja -terminen tilanne:
– idni = 0
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kuva: Atkins (1998) Physical chemistry. 6th edition.
Kemiallinen potentiaali ja
tasapainotila
Tasapainon määritys
laskennallisesti: Vaihtoehto 1
• Tasapainovakiomenetelmä
– Yksittäisten, stökiömetristen reaktioiden
tarkasteluun
dG  i dni
– Vakio-T ja vakio-P:
i
– Ainemäärien muutokset esitetään reaktioyhtälön
kertoimien ja reaktion etenemisasteen avulla:

dni   id
dG   i id  0
i
– Tasapainossa Gibbsin vapaaenergialla on minimi
•
Jos tarkastellaan vain yhtä reaktiota, niin minimi
löytyy kohdasta, jossa vapaaenergian derivaatta
reaktion etenemisasteen suhteen on nolla
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kuva: K. Hack - FactSage -koulutusmateriaali.
Tasapainon määritys
laskennallisesti: Vaihtoehto 1
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tasapainon määritys
laskennallisesti: Vaihtoehto 1
• Tasapainovakiomenetelmä
– Yhtä reaktiota tarkasteltaessa tasapainossa:
dG
G   i µi  0
  i µi  0
i
dξ
i

– Kemiallinen potentiaali on muotoa: µi  µi  RTln ai
– jolloin tasapainoehto saadaan muotoon:


µ
 i i  RT   i ln ai   0
i
 i µi  G
i
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
i
RT   i ln ai   RT ln  ai i  RT ln K
i
 G 

K  exp 
 RT 
i
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tasapainon määritys
laskennallisesti: Vaihtoehto 2
• Minimointi- eli optimointimenetelmä
– Useamman reaktion tarkasteluihin
– Käytössä termodynaamisissa laskentaohjelmistoissa (CTD)
– Laskennan lähtötiedoiksi ei tarvita tietoa (mahdollisista)
kemiallisista reaktioista, mutta tarvitaan tieto:
•
•
systeemin kokonaiskoostumuksesta
systeemissä mahdollisesti esiintyvistä faaseista (puhtaat aineet
ja seosfaasit) ja seosfaasien liuosmalleista
– Jaetaan ”käytössä olevat alkuaineet” (määräytyy systeemin
kokonaiskoostumuksen pohjalta) ”käytössä oleviin faaseihin”
siten, että systeemin Gibbsin vapaaenergia on pienimmillään
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tasapainon määritys
laskennallisesti: Vaihtoehto 2
• Minimointi- eli optimointimenetelmä
– Jaetaan käytössä olevat alkuaineet käytössä oleviin faaseihin
siten, että systeemin Gibbsin vapaaenergia on pienimmillään
•
•
•
Ts. koko systeemin Gibbsin vapaaenergian
koostumusriippuvuudelle on voitava kirjoittaa matemaattinen
lauseke, jolle sitten etsitään minimiarvo
Palautuu systeemissä olevien faasien vapaaenergioiden (ja
faaseissa olevien komponenttien kemiallisten potentiaalien)
määritykseen
Eli loppujen lopuksi tarvitaan taas matemaattinen kuvaus
systeemin epäideaalisuuden kuvaamiseen (aktiivisuuskertoimet
ja liuosmallit)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Ylijäämä- eli eksessifunktiot
• Tasapainon määritys heterogeenisessä
monikomponenttisysteemissä
 Systeemin kokonais-Gibbsin energian minimointi
 Integraalinen Gibbsin energia
= Summa systeemissä esiintyvien osaslajien Gibbsin
energioista eri faaseissa
G =  xi i
=  [ xi (i 0 + RTlnxi + RTlnfi )]
= xi i 0 + RTxi lnxi + RTxilnfi
= xi i id + xi i ex
= Gid + Gex
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Ts. ylijäämäfunktio
kuvaa erotusta
ideaaliliuoksesta.
Ylijäämä- eli eksessifunktiot
• Ideaaliliuoksen termodynaamiset
ominaisuudet voidaan mallintaa
– käyttämällä puhdasainefunktioita (i0) ja
– tuntemalla liuoksen komponenttien pitoisuudet (xi)
• Reaaliliuoksien mallinnus on käytännössä
eksessifunktioiden mallinnusta
– Liuosmallit: GEx = f(T,p,xi,xj,...)
n
GEx  G  GId  R  T   xi  ln f i 
i 1
– Käytännössä eksessifunktion liuosominaisuuksia
kuvaava termi on aktiivisuuskerroin (fi): ai  f i  xi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sekoitusfunktiot
• Kuvaavat tarkasteltavan termodynaamisen
suureen arvossa tapahtuvaa muutosta, kun
seosfaasi muodostuu puhtaista lähtöaineista
• Käytännön kannalta tärkein on Gibbsin
sekoitusenergia, joka saadaan vähentämällä
faasin kokonais-Gibbsin energiasta ”puhdas
aine”- eli standardiarvotermi:
n

G M  G   xi  
i 1
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
  R  T   x
n
0
i
i 1
n
i
 ln xi   R  T   xi  ln f i 
i 1
Sekoitusfunktiot
• Sekoitusentalpia ja -entropia:
n

H M  H   xi  H i0

i 1
n

S M  S   xi  S i0

i 1
• HUOM!
– Sekoitusfunktio: ero seoksen ja vastaavien
puhtaiden aineiden välillä
– Eksessifunktio: ero ideaalisen ja reaalisen
liuoksen välillä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Teema 2
Tehtävä 1
Deadline:
22.9.2014
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014