usando thermo- calc – balanços térmicos simples (parte 4)
DESCRIPTION
Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4). Andre Luiz V da Costa e Silva Roberto R Avillez Flavio Beneduce Ake Jansson Julho 2014. Primeira Lei da Termodinâmica. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/1.jpg)
1 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Usando Thermo-calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)
Andre Luiz V da Costa e SilvaRoberto R AvillezFlavio Beneduce
Ake Jansson
Julho 2014
![Page 2: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/2.jpg)
2 © 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….
wqdUWQU ou
A energia interna (U) é uma FUNÇÃO DE ESTADO
![Page 3: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/3.jpg)
3 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
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!
![Page 4: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/4.jpg)
4 © 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 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:
cdqdT
dHdTp
p
Q
![Page 5: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/5.jpg)
5 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Como varia a temperatura quando se esquenta água?
Energia (gás queimado, ou tempo)
100oC
Temperatura
Aplicações?
![Page 6: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/6.jpg)
6 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Como varia a temperatura quando se gela cerveja no isopor?
tempo
0oC
Temperatura
![Page 7: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/7.jpg)
7 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Temperatura vs Energia para a Água
Energia
Temperatura
Gelo
Água
EN
TALP
IA
TemperaturaG
elo
Água
![Page 8: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/8.jpg)
8 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
O mesmo experimento com Fe em um calorímetro!
![Page 9: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/9.jpg)
9 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
O “ZERO” das funções de Energia
h hm
![Page 10: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/10.jpg)
10 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
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.
![Page 11: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/11.jpg)
11 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Para as demais fases,
![Page 12: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/12.jpg)
12 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Olhando a entalpia de todas as fases do Fe
SER
01,15.298,1,15.298, atmKLIQFe
atmKCFCFe HH
![Page 13: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/13.jpg)
13 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
E o “zero” para as substancias? (ex: ‘FeO”)
TTFe
TFeO
Tf O
HHHH
FeOOFe
221
21
2
0021
15.29815.298
15.29815.29815.29815.298
2
FeOf
FeFeOf
HH
HHHHO
25
atmFeOfH
1,15.298,
25
atmFeOfH
1,15.298,
![Page 14: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/14.jpg)
14 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Aplicação da Primeira Lei – Balanço de Energia em aciaria
QHHQPVUPVU
VPQUWQU
12
1122 )(
Perdas devem ser incorporadas em “Q”.
![Page 15: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/15.jpg)
15 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Entalpia de Mistura
O processo de mistura pode ser exotérmico
Alcool
Água
![Page 16: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/16.jpg)
16 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Adição de Fe-Ligas
Aço1600 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
![Page 17: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/17.jpg)
17 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
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
![Page 18: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/18.jpg)
18 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Calculando a entalpia de 1t de aço (sem Si) a 1600C
![Page 19: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/19.jpg)
19 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Vendo a Entalpia
![Page 20: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/20.jpg)
20 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
O resultado “padrão” (saída do TCC e do TCW)
SER, preste atenção!!
1,349 E9 J
![Page 21: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/21.jpg)
21 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Calculando a entalpia de 4kg de FeSi 75% a 25C
![Page 22: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/22.jpg)
22 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Entalpia do Fe-Si é -1,139E6J
![Page 23: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/23.jpg)
23 © 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
![Page 24: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/24.jpg)
24 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Equilibrium Calculator, Advanced Mode
![Page 25: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/25.jpg)
25 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Saída do Table Renderer
1609,7C
![Page 26: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/26.jpg)
26 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Exemplo de aluminotermia no RH, só se tivermos tempo!
![Page 27: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/27.jpg)
27 © 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
![Page 28: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/28.jpg)
28 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Entalpia ANTES de soprar Oxigênio
![Page 29: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/29.jpg)
29 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Aço, Al2O3 e 1.3493E9 J de entalpia
![Page 30: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/30.jpg)
30 © 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
![Page 31: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/31.jpg)
31 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
O projeto agora tem um gráfio Qtde O vs Fases
![Page 32: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/32.jpg)
32 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
Fases formadas e depois, temperatura
![Page 33: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/33.jpg)
33 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
A Temperatura (e a limpeza…)
![Page 34: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/34.jpg)
34 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva
A Temperatura (e a limpeza interna…)
Al2O3O “dispara”
![Page 35: Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062301/56815d54550346895dcb5e20/html5/thumbnails/35.jpg)
35 © 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