郝磊磊，方覺，王同賓，李麗麗

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

所以用熱力學(xué)解決研究和生產(chǎn)中的問題時(shí)，就需要查閱相關(guān)熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法是查詢表格。其優(yōu)點(diǎn)是:能夠提供精確的數(shù)據(jù)。但同時(shí)也存在兩個(gè)問題:一是麻煩;二是表格中可能不包含所查溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)，或者沒有用戶所要查詢的特殊信息，因?yàn)橛脩粝氲玫降目赡苁且粋€(gè)線性組合或數(shù)種物質(zhì)的結(jié)合，因此用戶不得不根據(jù)它們?cè)诓煌瑴囟鹊膶傩?，用?fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。這時(shí)，數(shù)據(jù)量大，查找比較機(jī)械，這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單卻又十分繁瑣的工作，消耗了研究人員相當(dāng)多的精力和時(shí)間，給人們帶來諸多不便［1，2］。為了減輕數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)計(jì)算分析的工作量，我們研制了冶金熱力學(xué)計(jì)算軟件。

1 系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

1.1 物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)是熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)的主要內(nèi)容之一，也是化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，我們可以通過已經(jīng)收入數(shù)據(jù)庫(kù)的基本數(shù)據(jù)在需要時(shí)將他們方便的計(jì)算出來。

物質(zhì)的恒壓摩爾熱容Cp，m的計(jì)算公式:

式中，a、b、c、d分別為溫度系數(shù)。

物質(zhì)的焓HΘ(T)值的計(jì)算公式:

式中，HΘ(T)為物質(zhì)在1.013×105Pa及溫度T下的焓值，單位為kJ/mol。

∑Δ相Hm為298.15 K至T K的溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生的所有相變之和。

物質(zhì)的熵SΘ(T)值的計(jì)算公式:

式中，SΘ(T)為物質(zhì)在在1.013×105Pa及溫度T下的熵值，單位為J/mol·K。

物質(zhì)的吉布斯自由能GΘ的計(jì)算公式:

式中，GΘ(T)為物質(zhì)在在1.013×105Pa及溫度T下的吉布斯自由能值，單位為kJ/mol。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)的自由能、反應(yīng)熱及反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)過程前后的物質(zhì)種類、物質(zhì)的量、物質(zhì)所處的狀態(tài)確定后，熱力學(xué)計(jì)算就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算并輸出結(jié)果所以，當(dāng)反應(yīng)物和生成物的溫度確定之后，其它熱力學(xué)數(shù)據(jù)也隨之確定。只需再進(jìn)行一些加、減、乘、除的簡(jiǎn)單運(yùn)算即可求出化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)［4］，其計(jì)算公式如下:

式中，ΔHΘ、ΔSΘ、ΔGΘ和ln KΘ分別為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焓變、熵變、吉布斯自由能變化及平衡常數(shù)，R和T分別為氣體常數(shù)和反應(yīng)溫度。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

本軟件包括熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序和熱力算計(jì)算程序兩大部分。熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)含冶金研究中常用物質(zhì)的基本熱力學(xué)參數(shù)，如熱容表達(dá)式中的各項(xiàng)系數(shù)、298 K時(shí)的焓和熵值、相態(tài)、相變溫度和相變熱及該熱容數(shù)據(jù)所適用的最高溫度等并且可根據(jù)用戶需求對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充。熱力算計(jì)算程序?yàn)樵撥浖暮诵?，它采用模塊式設(shè)計(jì)，菜單式操作，可分為4個(gè)功能模塊。

2.1 物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)表

在該功能模塊中用戶輸入所需物質(zhì)的分子式，再選擇相應(yīng)的溫度間隔(10 K、50 K、100 K、200 K)系統(tǒng)通過調(diào)用熱力學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。該模塊可計(jì)算出物質(zhì)在298 K至熱容數(shù)據(jù)所適用的最高溫度區(qū)間內(nèi)的熱容值、焓值、相變焓值、熵值、相變熵值、和吉布斯自由能的值以及該物質(zhì)在計(jì)算溫度所處的狀態(tài)(g、l、s)。

該計(jì)算結(jié)果在物質(zhì)的計(jì)算溫度區(qū)間內(nèi)按照所選的溫度間隔以列表形式表現(xiàn)出來。該模塊可清晰的看出物質(zhì)在計(jì)算溫度區(qū)間內(nèi)所處的狀態(tài)以及各熱力學(xué)基本參數(shù)值。以CaO(最高適用溫度為3500 K)為例，選擇200 K為溫度間隔，得到如圖1所示列表。

圖1 物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)表

2.2 物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

在該功能模塊中用戶輸入所需物質(zhì)的分子式和計(jì)算溫度(不能超過熱容數(shù)據(jù)所適用的最高溫度否則不能計(jì)算)，系統(tǒng)首先出檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中這些物質(zhì)在298 K下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，然后調(diào)用熱力學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算出該物質(zhì)在此溫度下的熱力學(xué)參數(shù)。

該功能模塊可計(jì)算出物質(zhì)在298 K至熱容數(shù)據(jù)所適用的最高溫度區(qū)間內(nèi)任意溫度的熱容值、焓值、熵值以及吉布斯自由能值。以CaO為例，輸入溫度1000 K，得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

2.3 化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算

在該功能模塊中用戶輸入反應(yīng)各組元的分子式并配平化學(xué)反應(yīng)方程式和反應(yīng)溫度。系統(tǒng)首先調(diào)用物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算程序分別計(jì)算反應(yīng)中各物質(zhì)的吉布斯自由能、焓和熵值，從而計(jì)算出化學(xué)反應(yīng)的自由能、焓及熵值，并計(jì)算反應(yīng)平衡常數(shù)。

該模塊可計(jì)算化學(xué)反應(yīng)在計(jì)算溫度區(qū)間內(nèi)任意溫度下的化學(xué)反應(yīng)參數(shù)值。以輸入CaO+CO2=CaCO3為例并輸入反應(yīng)溫度1000 K，得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算

2.4 化學(xué)反應(yīng)自由能與溫度的回歸關(guān)系

化學(xué)反應(yīng)自由能通?？珊?jiǎn)化為ΔGΘ=A+B·T的形式，在該功能模塊中用戶輸入反應(yīng)各組元的分子式并配平化學(xué)反應(yīng)方程式然后輸入反應(yīng)溫度的上、下限以確定反應(yīng)溫度區(qū)間。系統(tǒng)通過調(diào)用化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算程序分別計(jì)算反應(yīng)在指定溫度區(qū)間內(nèi)各溫度點(diǎn)下(本程序設(shè)置10個(gè)點(diǎn))的吉布斯自由能、焓、熵值和反應(yīng)平衡常數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行回歸分析計(jì)算，輸出A、B及相關(guān)系數(shù)并輸出相應(yīng)的圖形。以輸入CaO+CO2= CaCO3為例并輸入反應(yīng)溫度區(qū)間為500～1500 K得到如圖所示結(jié)果。

圖4 化學(xué)反應(yīng)自由能與溫度的回歸關(guān)系

3 結(jié)語

本文采用VC++語言編制的冶金熱力學(xué)計(jì)算軟件，將大量的冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)匯集于數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中，可計(jì)算任何溫度下物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行冶金化學(xué)反應(yīng)方程式的熱力學(xué)計(jì)算。程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，運(yùn)算速度快，準(zhǔn)確性高極大降低了用戶計(jì)算強(qiáng)度，節(jié)省了時(shí)間并且具有較好的可移植性。

［1］ 魏靜.熱力學(xué)計(jì)算軟件的研制［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào).2006(4):409-410.

［2］ 鄭詩(shī)禮，張雌，崔金蘭.熱力學(xué)計(jì)算軟件及其應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué).1998(6):373-377.

［3］ 許志宏，王樂珊.無機(jī)熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)［M］.北京:科學(xué)出版社，1987:27-100.

［4］ 周明;基于WEB的有色冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［D］;昆明理工大學(xué)，2010:25-36

［5］ 尹愛君.冶金數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，1996.

［6］ 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1991.

［7］ 陳新民.物理化學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990.

［8］ 徐曉剛，高兆法.Visual C++6.0入門與提高［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［9］ 王筱留.鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000