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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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Primeira Lei da Termodinâmica
• CONSERVAÇÃO DA ENERGIA• Quais são as manifestações da energia: calor, energia
mecânica, energia química, elétrica….
wqdUWQU ou
A energia interna (U) é uma FUNÇÃO DE ESTADO
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Trabalho (energia é a capacidade de realizar trabalho)
w Fdx P Adx PdV
Materiais sujeitos a pressão externa realizam trabalho quando variam de volume.
4140, SEM transformação martensítica!
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Consequências importantes da primeira Lei
Se todo o trabalho for “P dV ”Para V constante (unusual in steelmaking):
w P dV dU dqext v 0
vv dT
dUc
Para P constante (steelmaking furnaces are either open or have constant P and not V):w P dV dU dq P dV dq dU P dVext p ext p ext
H U PV Definir ENTALPIA como:
cdq
dT
dH
dTp
p
Q
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Como varia a temperatura quando se esquenta água?
Energia (gás queimado, ou tempo)
100oC
Temperatura
Aplicações?
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Como varia a temperatura quando se gela cerveja no isopor?
tempo
0oC
Temperatura
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Temperatura vs Energia para a Água
Energia
Temperatura
Gelo
Água
EN
TALP
IA
TemperaturaG
elo
Água
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O mesmo experimento com Fe em um calorímetro!
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O “ZERO” das funções de Energia
h hm
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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).
H HFeSER
FeCCC K atm , . ,298 15 1 0
Assim, para o Ferro, por exemplo:
Estado de “referência” SER para os elementos puros
Dinsdale, A. T. 1991. “SGTE data for Pure Elements.” CALPHAD 15 (4): 317-425.
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Para as demais fases,
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Olhando a entalpia de todas as fases do Fe
SER
01,15.298,1,15.298, atmKLIQFe
atmKCFCFe HH
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E o “zero” para as substancias? (ex: ‘FeO”)
TTFe
TFeO
Tf O
HHHH
FeOOFe
22
12
12
00
2
1
15.29815.298
15.29815.29815.29815.298
2
FeOf
FeFeOf
HH
HHHHO
25
atmFeOfH
1,15.298,
25
atmFeOfH
1,15.298,
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Aplicação da Primeira Lei – Balanço de Energia em aciaria
QHH
QPVUPVU
VPQUWQU
12
1122 )(
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
Aço
1600 C
T=1600T=?
mHFeSi(s)=Fe(bcc)+Si(dia) a 298.15K
dTCH p
dTCH p
Fe(bcc)Fe(l) 298.15K até 1600 o
C (T?)
Si(dia)Si(l) 298.15K até 1600 o
C
mH
mHFe(l)Fe(em solução 1%at.Si) a 1600 oC (T?)
Si(l)Si(em solução 1%at.Si) a 1600 oC
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Mistura de Ferro-Ligas- Efeito térmico de Fe-Si
Entalpia da corrida de aço a 1600 C sem silício1000kgFeT=1600, P=1e5Pa
Adicionar Fe-Si 75% para ter 0,3% de Si em 1000kg de aço.
Entalpia da quantidade de Fe-Si a 25C a adicionar4kg Fe-Si%Si=75%T=25CP=1e5Pa
+ =
1,3488E9J
-1139,05E3J
Entalpia da corrida de aço a 1600 C com SilicioPeso total 1004kg%Si= 0,3%H=1,3488E9-1139,05E3J= 1,34766E9P=1e5PaT=?
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)
SER, preste atenção!!
1,349 E9 J
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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
• 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
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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