Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)

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


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


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!


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


Como varia a temperatura quando se esquenta água?

Energia (gás queimado, ou tempo)

100oC

Temperatura

Aplicações?


Como varia a temperatura quando se gela cerveja no isopor?

tempo

0oC

Temperatura


Temperatura vs Energia para a Água

Energia

Temperatura

Gelo

Água

EN

TALP

IA

TemperaturaG

elo

Água


O mesmo experimento com Fe em um calorímetro!


O “ZERO” das funções de Energia

h hm


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.


Para as demais fases,


Olhando a entalpia de todas as fases do Fe

SER

01,15.298,1,15.298, atmKLIQFe

atmKCFCFe HH


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,


Aplicação da Primeira Lei – Balanço de Energia em aciaria

QHHQPVUPVU

VPQUWQU

12

1122 )(

Perdas devem ser incorporadas em “Q”.


Entalpia de Mistura

O processo de mistura pode ser exotérmico

Alcool

Água


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


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


Calculando a entalpia de 1t de aço (sem Si) a 1600C


Vendo a Entalpia


O resultado “padrão” (saída do TCC e do TCW)

SER, preste atenção!!

1,349 E9 J


Calculando a entalpia de 4kg de FeSi 75% a 25C


Entalpia do Fe-Si é -1,139E6J


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


Equilibrium Calculator, Advanced Mode


Saída do Table Renderer

1609,7C


Exemplo de aluminotermia no RH, só se tivermos tempo!


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


Entalpia ANTES de soprar Oxigênio


Aço, Al2O3 e 1.3493E9 J de entalpia


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


O projeto agora tem um gráfio Qtde O vs Fases


Fases formadas e depois, temperatura


A Temperatura (e a limpeza…)


A Temperatura (e a limpeza interna…)

Al2O3O “dispara”


Fim da parte 4

Agradecimentos e apoios

Projeto: “Síntese, Processamento, Modelagem e Caracterização de Óxidos Funcionais” – Faperj Processo E-26/110.558/2010

Documents

Usando Thermo- calc – Balanços Térmicos Simples (Parte 4)