Развитие и усовершенствование сталеплавильных процессов и получение качественной стали невозможно без глубокого изучения сущности физических явлений и сложных физико-химических превращений, протекаемых в сталеплавильной ванне. Информация о параметрах плавки стали (давление, температура, концентрация) позволяет с использованием законов физической химии определить направление протекания процесса и продукты, образующиеся в результате его протекания; пределы, до которых может протекать процесс, и, наконец, скорость процесса и возможности ее увеличения. Первые две задачи решаются методами термодинамики, третья — законами кинетики.
Термодинамика. Термодинамика изучает законы теплового равновесия и перехода энергии из одной формы в другую, позволяет определить тепловые эффекты, сопровождающие различные процессы, установить их возможности, направление и пределы самопроизвольного течения.
Объектом термодинамического исследования является система, характеризуемая параметрами состояния. Всякое изменение в системе, связанное с изменением этих параметров, называется процессом. Например, любой металлургический агрегат — это сложная система, в которой параметрами состояния являются: давление в рабочем пространстве печи, температура металла, шлака, газовой фазы, футеровки печи, концентрации компонентов газовой атмосферы, металла, шлака и т. д.
Для определения характеристик процесса применяют термодинамические функции: энтропию S, изменение которой наиболее просто характеризует процессы в изолированных – систем ах; термодинамический потенциал G, позволяющий получить характеристики процессов при различных условиях их проведения; энтальпию H и тепловой эффект АН. Наибольшее практическое значение имеет функция G = H—TS. Для химической реакции эта зависимость записывается: AG=AH—TAS, где АН — изобарный тепловой эффект реакции; AS — изменение энтропии.
Самопроизвольные процессы, происходящие при условии р, T=Const (в металлургии обычно имеют дело с процессами, протекающими при постоянном давлении), возможны лишь в направлении уменьшения G, когда AG