本書是第一本非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的專著，構(gòu)建了非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的理論體系。系統(tǒng)地闡述了非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)，內(nèi)容包括非平衡態(tài)熱力學(xué)基礎(chǔ)、單元和多元體系的均相反應(yīng)、氣體與無孔隙固體的反應(yīng)、氣體與多孔固體的反應(yīng)、氣-液相反應(yīng)、液-液相反應(yīng)、液-固相反應(yīng)、固-固相反應(yīng)和一些應(yīng)用實(shí)例，給出了單元、多元、均相、多相遠(yuǎn)離平衡的冶金體系發(fā)生不可逆的傳輸過程和化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變的公式，以及傳輸速度和化學(xué)反應(yīng)速率的公式，討論了過程的各種控制步驟，描述了單一過程的情況和多個(gè)過程的耦合。
更多科學(xué)出版社服務(wù)，請(qǐng)掃碼獲取。
非平衡體系發(fā)生不可逆過程，力學(xué)量之間的關(guān)系，以及非平衡體系的性質(zhì)是非平衡態(tài)熱力學(xué)研究的主要內(nèi)容。在近平衡態(tài)，已經(jīng)建立起完備的線性熱力學(xué)理論，得到了近平衡體系的性質(zhì)，以及近平衡體系發(fā)生不可逆過程，力學(xué)量間成線性關(guān)系的唯象方程，給出了處理近平衡體系發(fā)生不可逆過程的方法。對(duì)于遠(yuǎn)離平衡體系的性質(zhì)也已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究。但是，遠(yuǎn)離平衡的體系發(fā)生不可逆過程，力學(xué)量間成怎樣的關(guān)系即唯象方程是什么樣的形式，以及怎樣用唯象方程處理問題，還很欠缺。傳熱、傳質(zhì)、傳動(dòng)等傳輸過程在許多情況下可以采用線性唯象方程處理。然而，化學(xué)反應(yīng)大多是在遠(yuǎn)離平衡的體系中發(fā)生的不可逆過程，線性非平衡態(tài)熱力學(xué)僅適用于接近平衡的化學(xué)反應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)的全過程，化學(xué)反應(yīng)速率與親和力之間不服從線性關(guān)系，不能用線性非平衡態(tài)熱力學(xué)理論處理。在有些情況下，傳輸過程也是非線性的。因此，需要建立遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不可逆過程的力學(xué)量間關(guān)系的非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)理論。
作者將線性非平衡態(tài)熱力學(xué)推廣到遠(yuǎn)離平衡體系和非線性不可逆過程，建立了遠(yuǎn)離平衡體系的非平衡態(tài)熱力學(xué)，給出了遠(yuǎn)離平衡體系發(fā)生不可逆過程力學(xué)量間的關(guān)系（非線性唯象方程）和非線性反應(yīng)（擴(kuò)散方程），描述了遠(yuǎn)離平衡體系的性質(zhì)。
傳統(tǒng)的傳輸理論沒有考慮不同傳輸過程的耦合。傳統(tǒng)的化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)也沒有考慮各化學(xué)反應(yīng)間的耦合。而這些耦合在很多情況下是不能忽略的，耦合會(huì)產(chǎn)生很多意想不到的結(jié)果。宏觀化學(xué)動(dòng)力學(xué)采用化學(xué)反應(yīng)速率與濃度冪次的乘積成正比的質(zhì)量作用定律來描述，而質(zhì)量作用定律只適用于基元反應(yīng)。對(duì)于非基元反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速率方程中濃度冪次的物理意義并不明確，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并不清楚�；瘜W(xué)反應(yīng)方程式表示的是反應(yīng)物和產(chǎn)物之間量的關(guān)系。反應(yīng)物是始態(tài)，產(chǎn)物是末態(tài)，所以非基元的化學(xué)反應(yīng)方程式可以看作熱力學(xué)方程式，應(yīng)用非平衡態(tài)熱力學(xué)描述其反應(yīng)速率正合適。傳統(tǒng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)對(duì)每個(gè)具體化學(xué)反應(yīng)需要具體處理，不能給出普適方程，而非平衡態(tài)熱力學(xué)可以給出統(tǒng)一的描述，將化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論建立在非平衡態(tài)熱力學(xué)的基礎(chǔ)上。非平衡態(tài)熱力學(xué)溝通了化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)兩個(gè)學(xué)科，使之得到統(tǒng)一。
經(jīng)典熱力學(xué)對(duì)于一個(gè)過程只能指出其能否發(fā)生及其方向和限度，而不能給出其變化的速度。這是由于經(jīng)典熱力學(xué)沒有引入時(shí)間變量。而非平衡態(tài)熱力學(xué)引入了時(shí)間變量，給出熵對(duì)時(shí)間的變化率即熵增率。熵的變化必然有相應(yīng)的宏觀力學(xué)量的變化，因此可以通過熵隨時(shí)間的變化得到宏觀力學(xué)量隨時(shí)間的變化，即得到動(dòng)力學(xué)方程。
例如，在恒溫恒壓條件下，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)引起的熵的變化必定有吉布斯自由能的變化，以及參加反應(yīng)的物質(zhì)量的變化。非平衡態(tài)熱力學(xué)給出了物質(zhì)量的變化率和吉布斯自由能的變化與熵隨時(shí)間變化的關(guān)系，所以就給出了物質(zhì)量的變化率與吉布斯自由能變的關(guān)系，即化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。
冶金過程都是不可逆過程，如鼓風(fēng)爐還原、轉(zhuǎn)爐吹煉、溶液和熔鹽的電解、溶劑萃取、離子交換、金屬凝固等。而將非平衡態(tài)熱力學(xué)理論應(yīng)用于冶金過程和冶金體系的研究很少。線性熱力學(xué)理論在冶金中有些應(yīng)用，但未形成體系；非線性熱力學(xué)在冶金中幾乎沒有研究。冶金體系中普遍存在傳輸過程，冶金過程的化學(xué)反應(yīng)大多是非線性的。非平衡態(tài)熱力學(xué)理論在自然科學(xué)的許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，在冶金領(lǐng)域也應(yīng)該有其用武之地。經(jīng)典熱力學(xué)在冶金中的應(yīng)用為冶金的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，建立了冶金理論體系，使冶金由技藝發(fā)展成科學(xué)技術(shù)。非平衡態(tài)熱力學(xué)在冶金中的應(yīng)用必將深化人們對(duì)冶金過程和冶金體系的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)冶金理論和技術(shù)的發(fā)展。
自1981年，作者在東北大學(xué)和中南大學(xué)為研究生講授“非平衡態(tài)熱力學(xué)（不可逆過程熱力學(xué)）”，同時(shí)開始了非平衡態(tài)熱力學(xué)的研究工作，尤其是在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助下，承擔(dān)了“均相、非均相冶金體系的非平衡態(tài)熱力學(xué)”的研究課題，系統(tǒng)地開展了非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的研究工作，將非平衡態(tài)熱力學(xué)理論應(yīng)用于冶金體系和冶金過程，建立了非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的理論體系。本書就是在這些研究工作的基礎(chǔ)上寫成的，是這些研究工作的一些成果。
在本書完成之際，首先感謝我國著名的冶金學(xué)家趙天從教授、傅崇說教授和冀春霖教授，他們都是作者的老師，在他們的關(guān)心、鼓勵(lì)、幫助和支持下，作者開展了非平衡態(tài)冶金熱力學(xué)的研究工作，并完成本書的寫作。還要感謝東北大學(xué)出版社原社長李玉興教授和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程一處原處長張玉清教授，本書的完成與他們的關(guān)心、支持、幫助和鼓勵(lì)分不開。
感謝國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持，使作者得以系統(tǒng)地開展非平衡態(tài)熱力學(xué)及其應(yīng)用方面的研究工作。感謝東北大學(xué)“985工程”為出版本書提供的部分資助。
書單推薦
