Principios termodinámicos de la metalurgia

La química física es una rama de la física y la química que combina las dos disciplinas. Aquí es cuando el concepto de termodinámica llega a su fin. La termodinámica es una rama de la física que estudia el vínculo entre la energía térmica, como el calor, y otros tipos de energía. El estudio de la transferencia de energía que ocurre durante las transformaciones químicas y físicas se conoce como termodinámica. También nos permite pronosticar y rastrear estos cambios.

Termodinámica en Metalurgia

Cuando se trata de metalurgia, la energía libre de Gibbs es la noción termodinámica más importante que hay que entender. Gibbs Free Energy determina si un proceso ocurrirá espontáneamente o no en termodinámica. La letra ΔG. Si el valor de ΔG es negativo, la reacción ocurrirá por sí sola. Para llegar a ΔG, veremos dos ecuaciones.

ΔG = ΔH – TΔS

El cambio de entalpía se denota por ΔH. Una reacción endotérmica estará representada por un valor positivo, mientras que una reacción exotérmica estará representada por un valor negativo. Como resultado, cuando la reacción es exotérmica, ΔG es negativo. La entropía, o la imprevisibilidad de las moléculas, se denota con la letra ΔS. Cuando el estado de la cuestión cambia, esto cambia dramáticamente. Otra ecuación que conecta la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio es

ΔG° = RTlnK _equivalente

La constante de equilibrio es K _eq . La masa activa de los productos se divide por la masa activa de los reactivos para llegar a esta cifra. El componente universal del gas es R. El valor de equilibrio ahora debe mantenerse positivo para obtener un valor negativo de ΔG (que es deseable).

Diagrama de Ellingham

Un diagrama de Ellingham representa la relación entre la temperatura y la estabilidad de un compuesto. Es una ilustración gráfica del flujo de energía de Gibbs. El diagrama de Ellingham se usa en metalurgia para trazar las ecuaciones del proceso de reducción. Esto nos ayuda a determinar el mejor agente reductor para usar al reducir rusts para producir metales puros. Echemos un vistazo a algunas de las características más importantes del Diagrama de Ellingham.

1. ΔG se traza en relación con la temperatura en este gráfico. La entropía está representada por la pendiente de la curva, mientras que la entalpía está representada por la intersección.
2. Como sabrá, el ΔH (entalpía) no se ve afectado por la temperatura.
3. La temperatura no tiene efecto sobre ΔS, que es la entropía. Sin embargo, hay una estipulación de que no debe ocurrir ningún cambio de fase.
4. La temperatura se trazará en el eje Y, mientras que ΔG se trazará en el eje X.
5. Los metales con curvas cerca de la parte inferior del diagrama son menos comunes que los metales que se encuentran más arriba.

La reacción del metal con el aire se puede resumir de la siguiente manera:

M(s) + O ₂ (g) → MO(s)

Cuando se trata de reducir rusts metálicos, el ΔH suele ser siempre negativo (exotérmico). ΔS también es negativo porque estamos pasando de un estado gaseoso a un estado sólido en la reacción (como se ve arriba). Como resultado, a medida que aumenta la temperatura, también aumenta el valor de TΔS y aumenta la pendiente de la reacción.

Observaciones del diagrama de Ellingham.

1. La pendiente es positiva para la mayor parte de la producción de rusts metálicos. Es posible explicarlo de la siguiente manera. La creación de rusts metálicos consume gas oxígeno, lo que resulta en una disminución de la imprevisibilidad. Como resultado, ΔS se vuelve negativo y el término TΔS en la ecuación de línea recta se vuelve positivo.
2. La formación de monrust de carbono se muestra mediante una línea recta con pendiente negativa. En este escenario, ΔS es positivo porque el consumo de un mol de gas oxígeno da como resultado la formación de dos moles de gas CO. Implica que el CO se vuelve más estable a temperaturas más altas.
3. A medida que aumenta la temperatura, el valor de ΔG para la creación de rust metálico se vuelve menos negativo hasta que llega a cero en un punto determinado. Por debajo de esta temperatura, ΔG es negativo y el rust es estable; por encima de esta temperatura, ΔG es positivo y el rust es inestable. Este patrón general muestra que a medida que aumentan las temperaturas, los rusts metálicos se vuelven menos estables y se descomponen más fácilmente.
4. Algunos rusts metálicos, como el MgO y el HgO, tienen un cambio brusco de pendiente a una temperatura específica. Esto se debe a un cambio de fase (fusión o evaporación).

Limitaciones del Diagrama de Ellingham

1. Los diagramas de Ellingham se basan únicamente en consideraciones termodinámicas. Proporciona información sobre la viabilidad termodinámica de una reacción. No proporciona información sobre la velocidad de la reacción. Además, no proporciona ninguna indicación de la probabilidad de que ocurran otras reacciones.
2. También carece de información completa sobre los rusts y sus formaciones. Digamos que existe la posibilidad de más de un rust. Este escenario no está representado en el diagrama.
3. La interpretación de ΔG se basa en la suposición de que los reactivos y los productos están en equilibrio, lo cual no es necesariamente cierto.

Usos del Diagrama de Ellingham

1. En el gráfico, la curva de Ellingham es más baja que la de la mayoría de los demás metales, como el hierro. Esto sugiere efectivamente que todos los metales que se encuentran arriba en el gráfico se pueden utilizar como agentes reductores para sus rusts. Debido a que el rust de aluminio es más estable, se utiliza en el proceso de termita para extraer cromo.
2. Se utiliza un alto horno para separar el hierro de su rust. En el horno, el mineral se mezcla con coque y piedra caliza. La reducción de los rusts de hierro tiene lugar a una variedad de temperaturas. La temperatura en la parte inferior del horno es sustancialmente más alta que en la parte superior. La termodinámica se utilizó para explicar las reacciones, lo que condujo al desarrollo de esta técnica.
3. En la parte superior del diagrama está el diagrama de Ellingham para la formación de Ag ₂ O y HgO, con temperaturas de descomposición de 600 y 700 K, respectivamente. Significa que estos rusts son inestables a bajas temperaturas y se descomponen cuando se calientan, incluso si no hay un agente reductor presente.
4. El diagrama de Ellingham se usa para pronosticar la factibilidad termodinámica de reducir rusts de un metal por rusts de otro. Cualquier metal puede disminuir los rusts de otros metales en la figura de arriba. En la figura de Ellingham, por ejemplo, la formación de rust de cromo es superior a la del aluminio, lo que indica que el Al ₂ O ₃ es más estable que el Cr ₂ O ₃ . Como resultado, el aluminio se puede utilizar como agente reductor para reducir el rust de cromo. Sin embargo, no puede usarse para disminuir los rusts de magnesio y calcio, que están en una posición más baja que el rust de aluminio.
5. Debido a que la línea de carbono cruza las líneas de muchos rusts metálicos, puede disminuirlos todos a temperaturas suficientemente altas. Veamos las circunstancias termodinámicamente favorables para la reducción de rust de hierro por carbono. Alrededor de 1000 K, el diagrama de Ellingham para la producción de FeO y CO se cruza. Por debajo de esta temperatura, la línea de carbono está por encima de la línea de hierro, lo que indica que el FeO es más estable que el CO y, por lo tanto, la reducción no es termodinámicamente viable en este rango de temperatura. Sin embargo, por encima de 1000 K, la línea de carbono está por debajo de la línea de hierro, lo que nos permite utilizar el coque como agente reductor. El cálculo de energía libre que sigue confirma que la disminución es termodinámicamente ventajosa.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cómo se utiliza la metalurgia para la producción?

Responder:

En ingeniería de producción, la metalurgia se ocupa de la fabricación de componentes metálicos para su uso en productos técnicos o de consumo. La fabricación, la forma, el tratamiento térmico y el tratamiento de la superficie del producto se incluyen en esta categoría.

Pregunta 2: ¿Qué es la metalurgia extractiva?

Responder:

La metalurgia extractiva es el proceso de extraer metales valiosos de un mineral y purificar los metales en bruto recuperados en una forma más pura. El mineral debe reducirse física, química o electrolíticamente para convertir un rust o sulfuro de metal en un metal más puro. Las tres corrientes principales de interés para los metalúrgicos extractivos son la alimentación, el concentrado (rust/sulfuro metálico) y los relaves (residuos).

Pregunta 3: ¿Qué es la metalurgia?

Responder:

Las propiedades físicas y químicas de los compuestos intermetálicos, los elementos metálicos y las mezclas de aleaciones se estudian en metalurgia, una rama de la ciencia e ingeniería de materiales. La metalurgia es la ciencia y la tecnología de los metales, es decir, cómo se utiliza la ciencia para la fabricación de metales y la ingeniería de componentes metálicos utilizados en productos industriales y de consumo. La metalurgia es distinta de minecrafting como una habilidad. Para el avance tecnológico, la metalurgia depende de la metalurgia, al igual que la medicina depende de la ciencia médica.

Pregunta 4: Escriba una nota sobre el metal y sus aleaciones

Responder:

El aluminio, el cromo, el cobre, el hierro, el magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y el silicio son ejemplos de metales de ingeniería. Estos metales, a excepción del silicio, son los más utilizados en aleaciones. Los aceros y las fundiciones forman parte del sistema de aleación hierro-carbono, que ha recibido mucha atención. Los aceros al carbono simples (aquellos que tienen casi todo el carbono como ingrediente de aleación) se utilizan en aplicaciones de alta resistencia y bajo costo donde el peso y la corrosión no son un problema. Los hierros fundidos, como el hierro dúctil, también forman parte del sistema hierro-carbono. Las aleaciones de hierro-manganeso-cromo se utilizan en aplicaciones no magnéticas como la perforación direccional (aceros tipo Hadfield).

Pregunta 5: ¿Cuáles son algunas excepciones significativas en el diagrama de Ellingham?

Responder:

Las siguientes son algunas excepciones significativas en el diagrama de Ellingham:

• C(s) + O ₂ (g) → CO ₂ (g): Los sólidos tienen una entropía mínima. Como resultado, una molécula de gas produce una molécula de gas. Como resultado, hay virtualmente poca entropía neta. Como resultado, no habrá pendiente y la superficie será perfectamente horizontal.
• 2C (s)+ O ₂ (g) → 2CO (g): Un mol de gas produce dos moles de gas como resultado de esta reacción. Como resultado, la entropía será positiva en este caso. Como resultado, esta curva comenzará a declinar.