Usando Thermo-calc – Balanços
Térmicos Simples (Parte 4)
Andre Luiz V da Costa e Silva
Roberto R Avillez
Flavio Beneduce
Ake Jansson
Julho 2014
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© 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Primeira Lei da Termodinâmica
•
•
CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
Quais são as manifestações da energia: calor, energia
mecânica, energia química, elétrica….
U  Q  W ou
dU   q   w
A energia interna (U) é uma FUNÇÃO DE ESTADO
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Trabalho (energia é a capacidade de realizar trabalho)
Materiais sujeitos a pressão externa realizam trabalho quando variam de volume.
4140, SEM transformação
martensítica!
w  Fdx  P  Adx  PdV
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Consequências importantes da
primeira Lei
Se todo o trabalho for “P dV ”
Para V constante (unusual in steelmaking):
w  Pext dV  0  dU  dq v
 dU 
cv  

 dT v
Q
Para P constante (steelmaking furnaces are
either open or have constant P and not V):
w  Pext dV
dU  dqp  Pext dV
Definir ENTALPIA como:
dqp  dU  Pext dV
H  U  PV
dq p
dH
cp 

dT
dT
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Como varia a temperatura quando se esquenta água?
100oC
Aplicações?
Temperatura
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Energia (gás queimado, ou tempo)
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Como varia a temperatura quando se gela cerveja no
isopor?
Temperatura
0oC
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tempo
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Temperatura vs Energia para a Água
ENTALPIA
Temperatura
Água
Água
Gelo
Gelo
Energia
Temperatura
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O mesmo experimento com Fe em um calorímetro!
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O “ZERO” das funções de Energia
h
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hm
Estado de “referência” SER para os elementos puros
O zero de entalpia é escolhido, normalmente, como sendo a fase mais estável da
elemento puro, a temperatura de 25 oC (298.15K) e pressão de 1 atm. Este estado
é chamado SER (Standard Element Reference).
Assim, para o Ferro, por exemplo:
SER
CCC , 298.15K ,1atm
HFe
 HFe
0
Dinsdale, A. T. 1991. “SGTE data for Pure Elements.” CALPHAD 15 (4): 317425.
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Para as demais fases,
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Olhando a entalpia de todas as fases do Fe
CFC ,298.15 K ,1atm
LIQ ,298.15 K ,1atm
H Fe
 H Fe
0
SER
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E o “zero” para as substancias? (ex: ‘FeO”)
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Fe  O2  FeO
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T
T
H Tf  H FeO
 H Fe

1 T
H
2 O2
.15
298.15
298.15
H 298
 H FeO
 H Fe

f
1 298.15
H
2 O2
.15
298.15
H 298
 H FeO
00
f
.15,1atm
H 298
f , FeO
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Aplicação da Primeira Lei – Balanço de Energia em
aciaria
U  Q  W
U  Q  PV
U 2  PV2  (U1  PV1 )  Q
H 2  H1  Q
Perdas devem ser incorporadas em “Q”.
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Entalpia de Mistura
O processo de mistura pode ser exotérmico
Alcool
Água
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Adição de Fe-Ligas
H m
FeSi(s)=Fe(bcc)+Si(dia) a 298.15K
Fe(bcc)Fe(l)
(T?)
Aço
1600 C
Si(dia)Si(l)
o
298.15K até 1600 C
H   C p dT
298.15K até 1600 C
Fe(l)Fe(em solução 1%at.Si) a 1600 oC (T?)
T=1600
T=?
H m
H m
Si(l)Si(em solução 1%at.Si) a 1600 oC
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o
H   C p dT
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Mistura de Ferro-Ligas- Efeito térmico de Fe-Si
Adicionar Fe-Si 75% para ter 0,3% de Si em 1000kg de aço.
Entalpia da corrida
de aço a 1600 C sem
silício
1000kg
Fe
T=1600, P=1e5Pa
+
Entalpia da
quantidade de Fe-Si
a 25C a adicionar
4kg Fe-Si
%Si=75%
T=25C
P=1e5Pa
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1,3488E9J
=
Entalpia da corrida de aço
a 1600 C com Silicio
Peso total 1004kg
%Si= 0,3%
H=1,3488E9-1139,05E3J=
1,34766E9
P=1e5Pa
T=?
-1139,05E3J
T=1609 C
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Calculando a entalpia de 1t de aço (sem Si) a 1600C
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Vendo a Entalpia
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O resultado “padrão” (saída do TCC e do TCW)
1,349 E9 J
SER, preste atenção!!
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Calculando a entalpia de 4kg de FeSi 75% a 25C
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Entalpia do Fe-Si é -1,139E6J
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Balanço de Massa e soma das Entalpias
• Fe: 1000kg+ 1kg
• Si: 3kg
• Entalpia Inicial: 1,349 E9 J -1,139E6J= 1.348 E 9
• Novo equilíbrio, agora, com tudo na panela, com
ENTALPIA INICIAL=ENTALPIA FINAL
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Equilibrium Calculator, Advanced Mode
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Saída do Table Renderer
1609,7C
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Exemplo de aluminotermia no RH, só
se tivermos tempo!
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Exemplo: Aquecendo com Al no RH
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•
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•
Definir o Material: Fe-Al-O
Escolher um banco de dados: SLAG3
Eliminar fases indesejadas (gas)
Calculo da entalpia do Aço antes de adicional oxigênio
– 1000kg aço 0,8kg Al , 0,02kg O (20ppm) T=1600C, P=1e5Pa ou P=1atm
– Obter H do sistema (não é H em J/mol!!)
• Estabelecer a condição H constante e não T constante
– Variar a quantidade de O no sistem B(O) entre 0 e 1,5kg/t O soprado
• Avaliar
– Temperatura
– Oxigênio do aço
– Fases formadas no processo
Exemplo proposto pelo Eng Barão, CST
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Entalpia ANTES de soprar Oxigênio
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Aço, Al2O3 e 1.3493E9 J de entalpia
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Entalpia do sistema é condição, variar a Quantidade de O
no sistema
Criar um gráfico para ver o efeito da variação de Amount of O
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O projeto agora tem um gráfio Qtde O vs Fases
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Fases formadas e depois, temperatura
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A Temperatura (e a limpeza…)
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A Temperatura (e a limpeza interna…)
Al2O3
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O “dispara”
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Fim da parte 4
Agradecimentos e apoios
Projeto: “Síntese, Processamento, Modelagem e Caracterização de Óxidos
Funcionais” – Faperj Processo E-26/110.558/2010
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