Usando Thermo-calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4) Andre Luiz V da Costa e Silva Roberto R Avillez Flavio Beneduce Ake Jansson Julho 2014 1 © 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 2 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 3 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 4 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Como varia a temperatura quando se esquenta água? 100oC Aplicações? Temperatura 5 Energia (gás queimado, ou tempo) © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Como varia a temperatura quando se gela cerveja no isopor? Temperatura 0oC 6 tempo © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Temperatura vs Energia para a Água ENTALPIA Temperatura Água Água Gelo Gelo Energia Temperatura 7 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva O mesmo experimento com Fe em um calorímetro! 8 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva O “ZERO” das funções de Energia h 9 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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. 10 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Para as demais fases, 11 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 12 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva E o “zero” para as substancias? (ex: ‘FeO”) 1 Fe O2 FeO 2 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 00 f .15,1atm H 298 f , FeO 25 13 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Aplicação da Primeira Lei – Balanço de Energia em aciaria U Q W U Q PV U 2 PV2 (U1 PV1 ) Q H 2 H1 Q Perdas devem ser incorporadas em “Q”. 14 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Entalpia de Mistura O processo de mistura pode ser exotérmico Alcool Água 15 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 16 o H C p dT © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 17 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 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Calculando a entalpia de 1t de aço (sem Si) a 1600C 18 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Vendo a Entalpia 19 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva O resultado “padrão” (saída do TCC e do TCW) 1,349 E9 J SER, preste atenção!! 20 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Calculando a entalpia de 4kg de FeSi 75% a 25C 21 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Entalpia do Fe-Si é -1,139E6J 22 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 23 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Equilibrium Calculator, Advanced Mode 24 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Saída do Table Renderer 1609,7C 25 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Exemplo de aluminotermia no RH, só se tivermos tempo! 26 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Exemplo: Aquecendo com Al no RH • • • • 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 27 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Entalpia ANTES de soprar Oxigênio 28 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Aço, Al2O3 e 1.3493E9 J de entalpia 29 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva 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 30 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva O projeto agora tem um gráfio Qtde O vs Fases 31 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Fases formadas e depois, temperatura 32 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva A Temperatura (e a limpeza…) 33 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva A Temperatura (e a limpeza interna…) Al2O3 34 O “dispara” © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Fim da parte 4 Agradecimentos e apoios Projeto: “Síntese, Processamento, Modelagem e Caracterização de Óxidos Funcionais” – Faperj Processo E-26/110.558/2010 35 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
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