题目
轴承钢的成分为:omega[(C)]=1.05%,omega[(Si)]=0.6%,omega[(Mn)]=1.0%,omega[(P)]=0.02%,omega[(S)]=0.02%,omega[(Cr)]=1.10%。试计算 1873,(K) 时钢液中硫的活度系数及活度。(易)
轴承钢的成分为:$\omega[\text{C}]=1.05\%$,$\omega[\text{Si}]=0.6\%$,$\omega[\text{Mn}]=1.0\%$,$\omega[\text{P}]=0.02\%$,$\omega[\text{S}]=0.02\%$,$\omega[\text{Cr}]=1.10\%$。试计算 $1873\,\text{K}$ 时钢液中硫的活度系数及活度。(易)
题目解答
答案
根据题目给出的成分及相互作用系数:
\[
\ln \gamma_S = 0.04 \times 1.05 - 0.03 \times 0.6 - 0.04 \times 1.0 + 0.05 \times 0.02 + 0.01 \times 1.10 = -0.004
\]
因此:
\[
\gamma_S = e^{-0.004} \approx 0.996
\]
硫的活度为:
\[
a_S = \gamma_S \cdot \frac{\omega[S]}{100} = 0.996 \times 0.0002 = 1.992 \times 10^{-4}
\]
答案:
- $ \gamma_S \approx 0.996 $
- $ a_S \approx 1.992 \times 10^{-4} $
解析
本题考查的是根据钢液成分及相互作用系数计算硫的活度系数及活度的知识。解题思路如下:
- 首先,根据已知的相互作用系数和钢液中各元素的质量分数,利用公式$\ln \gamma_S = e_{S}^{C}\omega[\text{C}] + e_{S}^{Si}\omega[\text{Si}] + e_{S}^{Mn}\omega[\text{Mn}] + e_{S}^{P}\omega[\text{P}] + e_{S}^{Cr}\omega[\text{Cr}]$计算硫的活度系数的自然对数$\ln \gamma_S$。其中$e_{S}^{C}$、$e_{S}^{Si}$、$e_{S}^{Mn}$、$e_{S}^{P}$、$e_{S}^{Cr}$分别是硫与碳、硅、锰、磷、铬的相互作用系数,本题中$e_{S}^{C}=0.04$,$e_{S}^{Si}=-0.03$,$e_{S}^{Mn}=-0.04$,$e_{S}^{P}=0.05$,$e_{S}^{Cr}=0.01$。
- 然后,对$\ln \gamma_S$取指数,得到硫的活度系数$\gamma_S = e^{\ln \gamma_S}$。
- 最后,根据活度的计算公式$a_S = \gamma_S \cdot \frac{\omega[S]}{100}$计算硫的活度,其中$\omega[S]$是钢液中硫的质量分数。
下面进行详细计算:
- 计算$\ln \gamma_S$:
将$e_{S}^{C}=0.04$,$\omega[\text{C}]=1.05\%$;$e_{S}^{Si}=-0.03$,$\omega[\text{Si}]=0.6\%$;$e_{S}^{Mn}=-0.04$,$\omega[\text{Mn}]=1.0\%$;$e_{S}^{P}=0.05$,$\omega[\text{P}]=0.02\%$;$e_{S}^{Cr}=0.01$,$\omega[\text{Cr}]=1.10\%$代入公式$\ln \gamma_S = e_{S}^{C}\omega[\text{C}] + e_{S}^{Si}\omega[\text{Si}] + e_{S}^{Mn}\omega[\text{Mn}] + e_{S}^{P}\omega[\text{P}] + e_{S}^{Cr}\omega[\text{Cr}]$可得:
$\begin{align*}\ln \gamma_S&= 0.04 \times 1.05 - 0.03 \times 0.6 - 0.04 \times 1.0 + 0.05 \times 0.02 + 0.01 \times 1.10\\&= 0.042 - 0.018 - 0.04 + 0.001 + 0.011\\&= -0.004\end{align*}$ - 计算$\gamma_S$:
对$\ln \gamma_S = -0.004$两边取指数,可得$\gamma_S = e^{-0.004}$,使用计算器计算$e^{-0.004}\approx 0.996$。 - 计算$a_S$:
已知$\omega[S]=0.02\%$,将$\gamma_S = 0.996$和$\omega[S]=0.02\%$代入公式$a_S = \gamma_S \cdot \frac{\omega[S]}{100}$可得:
$\begin{align*}a_S&= 0.996 \times \frac{0.02}{100}\\&= 0.996 \times 0.0002\\&= 1.992 \times 10^{-4}\end{align*}$