冶金热力学计算软件的开发

郝磊磊，方觉，王同宾，李丽丽

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)

0 引言

所以用热力学解决研究和生产中的问题时，就需要查阅相关热力学基础数据。传统方法是查询表格。其优点是:能够提供精确的数据。但同时也存在两个问题:一是麻烦;二是表格中可能不包含所查温度点的数据，或者没有用户所要查询的特殊信息，因为用户想得到的可能是一个线性组合或数种物质的结合，因此用户不得不根据它们在不同温度的属性，用复杂的数学公式进行计算。这时，数据量大，查找比较机械，这是一种相对简单却又十分繁琐的工作，消耗了研究人员相当多的精力和时间，给人们带来诸多不便［1，2］。为了减轻数据查询及数据计算分析的工作量，我们研制了冶金热力学计算软件。

1 系统理论基础

1.1 物质的热力学参数计算

物质的热力学参数是热力学数据手册的主要内容之一，也是化学热力学计算的基础。这些数据的数量庞大，我们可以通过已经收入数据库的基本数据在需要时将他们方便的计算出来。

物质的恒压摩尔热容Cp，m的计算公式:

式中，a、b、c、d分别为温度系数。

物质的焓HΘ(T)值的计算公式:

式中，HΘ(T)为物质在1.013×105Pa及温度T下的焓值，单位为kJ/mol。

∑Δ相Hm为298.15 K至T K的温度区间内发生的所有相变之和。

物质的熵SΘ(T)值的计算公式:

式中，SΘ(T)为物质在在1.013×105Pa及温度T下的熵值，单位为J/mol·K。

物质的吉布斯自由能GΘ的计算公式:

式中，GΘ(T)为物质在在1.013×105Pa及温度T下的吉布斯自由能值，单位为kJ/mol。

1.2 标准状态下反应的自由能、反应热及反应平衡常数的计算

当化学反应过程前后的物质种类、物质的量、物质所处的状态确定后，热力学计算就可以根据数据库中有关的数据进行相应的计算并输出结果所以，当反应物和生成物的温度确定之后，其它热力学数据也随之确定。只需再进行一些加、减、乘、除的简单运算即可求出化学反应的热力学参数［4］，其计算公式如下:

式中，ΔHΘ、ΔSΘ、ΔGΘ和ln KΘ分别为反应的标准焓变、熵变、吉布斯自由能变化及平衡常数，R和T分别为气体常数和反应温度。

2 系统构成及功能

本软件包括热力学数据库管理程序和热力算计算程序两大部分。热力学数据库内含冶金研究中常用物质的基本热力学参数，如热容表达式中的各项系数、298 K时的焓和熵值、相态、相变温度和相变热及该热容数据所适用的最高温度等并且可根据用户需求对数据库进行扩充。热力算计算程序为该软件的核心，它采用模块式设计，菜单式操作，可分为4个功能模块。

2.1 物质的热力学参数表

在该功能模块中用户输入所需物质的分子式，再选择相应的温度间隔(10 K、50 K、100 K、200 K)系统通过调用热力学计算程序进行计算。该模块可计算出物质在298 K至热容数据所适用的最高温度区间内的热容值、焓值、相变焓值、熵值、相变熵值、和吉布斯自由能的值以及该物质在计算温度所处的状态(g、l、s)。

该计算结果在物质的计算温度区间内按照所选的温度间隔以列表形式表现出来。该模块可清晰的看出物质在计算温度区间内所处的状态以及各热力学基本参数值。以CaO(最高适用温度为3500 K)为例，选择200 K为温度间隔，得到如图1所示列表。

图1 物质热力学参数表

2.2 物质的热力学参数计算

在该功能模块中用户输入所需物质的分子式和计算温度(不能超过热容数据所适用的最高温度否则不能计算)，系统首先出检索数据库中这些物质在298 K下的热力学数据，然后调用热力学计算程序进行计算，可计算出该物质在此温度下的热力学参数。

该功能模块可计算出物质在298 K至热容数据所适用的最高温度区间内任意温度的热容值、焓值、熵值以及吉布斯自由能值。以CaO为例，输入温度1000 K，得到如图2所示结果。

图2 物质热力学参数计算

2.3 化学反应热力学计算

在该功能模块中用户输入反应各组元的分子式并配平化学反应方程式和反应温度。系统首先调用物质热力学参数计算程序分别计算反应中各物质的吉布斯自由能、焓和熵值，从而计算出化学反应的自由能、焓及熵值，并计算反应平衡常数。

该模块可计算化学反应在计算温度区间内任意温度下的化学反应参数值。以输入CaO+CO2=CaCO3为例并输入反应温度1000 K，得到如图3所示结果。

图3 化学反应热力学计算

2.4 化学反应自由能与温度的回归关系

化学反应自由能通常可简化为ΔGΘ=A+B·T的形式，在该功能模块中用户输入反应各组元的分子式并配平化学反应方程式然后输入反应温度的上、下限以确定反应温度区间。系统通过调用化学反应热力学计算程序分别计算反应在指定温度区间内各温度点下(本程序设置10个点)的吉布斯自由能、焓、熵值和反应平衡常数，以此为基础进行回归分析计算，输出A、B及相关系数并输出相应的图形。以输入CaO+CO2= CaCO3为例并输入反应温度区间为500～1500 K得到如图所示结果。

图4 化学反应自由能与温度的回归关系

3 结语

本文采用VC++语言编制的冶金热力学计算软件，将大量的冶金热力学数据汇集于数据库软件中，可计算任何温度下物质的热力学参数，进行冶金化学反应方程式的热力学计算。程序设计简洁，运算速度快，准确性高极大降低了用户计算强度，节省了时间并且具有较好的可移植性。

［1］ 魏静.热力学计算软件的研制［J］.武汉科技大学学报.2006(4):409-410.

［2］ 郑诗礼，张雌，崔金兰.热力学计算软件及其应用［J］.计算机与应用化学.1998(6):373-377.

［3］ 许志宏，王乐珊.无机热化学数据库［M］.北京:科学出版社，1987:27-100.

［4］ 周明;基于WEB的有色冶金热力学数据库系统的研究与结构设计［D］;昆明理工大学，2010:25-36

［5］ 尹爱君.冶金数据库系统及其研究［D］.长沙:中南大学，1996.

［6］ 谭浩强.C程序设计［M］.北京:清华大学出版社，1991.

［7］ 陈新民.物理化学［M］.北京:冶金工业出版社，1990.

［8］ 徐晓刚，高兆法.Visual C++6.0入门与提高［M］.北京:清华大学出版社，1999.

［9］ 王筱留.钢铁冶金学(炼铁部分)［M］.北京:冶金工业出版社，2000