AULA_3_-_Introduo_a_diagramas_de_fases_diagramas_unrios

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<p>DIAGRAMA DE FASES</p><p>Itajubá, 2024</p><p>Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)</p><p>Instituto de Engenharia Mecânica (IEM)</p><p>2</p><p>O que vai aprender na aula de hoje.</p><p>✓Conceito de fase</p><p>✓Diagrama de fases</p><p>✓Regra das fases de Gibbs</p><p>✓ Sistemas unários</p><p>3</p><p>“FASE é toda porção homogênea de um sistema que</p><p>tem características físicas e químicas definidas”.</p><p>Imagem obtida por SEM/BSE de microestrutura do</p><p>sistema AlNbV.</p><p>SANTOS, J. C. P. et al. Experimental investigation of phase equilibria at 1200° C in the Al-Nb-V</p><p>system. Journal of Phase Equilibria and Diffusion, v. 41, p. 172-180, 2020.</p><p>Granito Porfirítico</p><p>Mistura de água e óleo</p><p>Fonte: https://didatico.igc.usp.br/rochas/igneas/granito/</p><p>Fonte: https://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-</p><p>ensino/mistura-homogenea-heterogenea.htm</p><p>4</p><p>“DIAGRAMA DE FASES é a representação de fases</p><p>estáveis ou metaestáveis em determinadas condições (P, T,</p><p>Composição)”.</p><p>Sistemas binários</p><p>ex: Cu-Ni</p><p>Fonte: adaptado de Miettinen, Jyrki. Thermodynamic description of</p><p>Cu–Mg–Ni and Cu–Mg–Zn systems. Calphad, v. 32, n. 2, p. 389-</p><p>398, 2008.</p><p>T</p><p>e</p><p>m</p><p>p</p><p>e</p><p>ra</p><p>tu</p><p>ra</p><p>(</p><p>°C</p><p>)</p><p>Fonte: Guo, Cuiping, Zhenmin Du, and Changrong Li. "A</p><p>thermodynamic description of the Gd–Mg–Y</p><p>system." Calphad 31.1 (2007): 75-88.</p><p>Sistemas ternários</p><p>ex: Mg-Gd-Y</p><p>Sistema unários</p><p>ex: Fe</p><p>Fonte: Smith, W. F., & Hashemi, J. (2012). Fundamentos</p><p>de Engenharia e Ciência dos Materiais.</p><p>5</p><p>Como se determinam as fases?</p><p>Técnicas de caracterização microestrutural (ex: microscopia, difratometria de raios X)</p><p>A partir dos</p><p>diagramas de</p><p>fases pode-se:</p><p>✓ Determinar das fases presentes;</p><p>✓ Determinar a composição das fases</p><p>presentes;</p><p>✓ Determinar a quantidade das fases</p><p>presentes;</p><p>6</p><p>Fonte:adaptado de Miettinen, Jyrki. Thermodynamic description of Cu–Mg–Ni and</p><p>Cu–Mg–Zn systems. Calphad, v. 32, n. 2, p. 389-398, 2008.</p><p>T</p><p>e</p><p>m</p><p>p</p><p>e</p><p>ra</p><p>tu</p><p>ra</p><p>(</p><p>°C</p><p>)</p><p>Diagrama de fases binário Cu-Ni</p><p>Onde pesquisar</p><p>diagramas de</p><p>fases?</p><p>https://bdec.dotlib.com.br/ 7</p><p>American Society for Metals</p><p>Onde pesquisar</p><p>diagramas de</p><p>fases?</p><p>8</p><p>9</p><p>Sistemas unários</p><p>Diagrama de fases da água</p><p>1 componente</p><p>Variáveis: P e T</p><p>10</p><p>Diagrama de fases unário do ferro</p><p>CCC – Até 910°C</p><p>CFC – 910-1394°C</p><p>CCC – 1394-1538°C (PF)</p><p>Diagrama de fases unários</p><p>11</p><p>Diagrama de fases unário de SiO2</p><p>Fonte: http://www.quartzpage.de/gen_mod.html</p><p>12</p><p>Diagrama de fases unário do carbono</p><p>Diagrama de fases unários</p><p>Diamante</p><p>Grafite</p><p>13</p><p>Regra das fases de Gibbs</p><p>“A construção dos diagramas de fases — assim como alguns dos princípios</p><p>que governam as condições para os equilíbrios entre as fases — é ditada</p><p>pelas leis da termodinâmica. Uma dessas leis é a regra das fases de Gibbs.”</p><p>Essa regra representa um critério para o número de fases que coexistem</p><p>em um sistema em equilíbrio e é expressa pela simples equação:</p><p>P + F = C + N</p><p>P é o número de fases presentes</p><p>O parâmetro F é denominado número de graus</p><p>de liberdade, ou o número de variáveis que</p><p>podem ser controladas externamente (por</p><p>exemplo, temperatura, pressão, composição),</p><p>que deve ser especificado para definir por</p><p>completo o estado do sistema.</p><p>C representa o número de componentes</p><p>no sistema (ex. Ferro, H2O, Al2O3, Ni)</p><p>N é o número de variáveis não relacionadas com a</p><p>composição (por exemplo, temperatura e pressão).</p><p>Uma vez que a pressão é constante (1 atm), o</p><p>parâmetro N é igual a 1 — a temperatura é a única</p><p>variável não relacionada com a composição.</p><p>14</p><p>Sistemas unários</p><p>P + 0 = 1 + 2</p><p>P = 3</p><p>F = 0 e C = 1</p><p>Equilíbrio Invariante (F = 0)</p><p>P – número de fases presentes</p><p>C – número de componentes do sistema</p><p>N = 1</p><p>F = número de graus de liberdade</p><p>Geral: a regra das fases não está relacionada</p><p>com as quantidades das fases presentes ou</p><p>com suas propriedades, mas somente com o</p><p>número de fases presentes no equilíbrio e</p><p>com suas composições, temperatura e</p><p>pressão.</p><p>15</p><p>Sistemas unários</p><p>P + 1 = 1 + 2</p><p>P = 2</p><p>F = 1 e C = 1</p><p>Equilíbrio Monovariante (F = 1)</p><p>P – número de fases presentes</p><p>C – número de componentes do sistema</p><p>N = 1</p><p>F = número de graus de liberdade</p><p>Fusão Evaporação</p><p>Sublimação</p><p>16</p><p>Sistemas unários</p><p>P + 2 = 1 + 2</p><p>P = 1</p><p>F = 2 e C = 1</p><p>Equilíbrio Bivariante (F = 2)</p><p>P – número de fases presentes</p><p>C – número de componentes do sistema</p><p>N = 1</p><p>F = número de graus de liberdade</p><p>17</p><p>Digramas de fases x</p><p>diagramas de equilíbrio</p><p>Um estado metaestável corresponde a qualquer</p><p>estado do sistema diferente do estado de</p><p>equilíbrio mais estável - DIFERENTE DO</p><p>EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO - que tenha</p><p>consigo associado uma restrição que impeça a</p><p>transição imediata deste para o estado mais</p><p>estável sem alguma perturbação significativa de</p><p>origem geralmente externa ao sistema.</p><p>O sistema pode assim permanecer por longos</p><p>tempos no estado metaestável sem transitar para</p><p>o estado mais estável. Contudo, presente a</p><p>influência externa - ou interna adequada - o</p><p>sistema irá transitar para o estado mais estável.</p><p>metaestável</p><p>estável</p><p>18</p><p>Digramas de fases x</p><p>diagramas de equilíbrio</p><p>Condições de equilíbrio termodinâmico:</p><p>O sistema deve obrigatoriamente estar</p><p>em equilíbrio químico, mecânico,</p><p>radiativo e térmico simultaneamente,</p><p>pois qualquer desequilíbrio em algum</p><p>desses aspectos implica um fluxo de</p><p>matéria ou energia.</p><p>metaestável</p><p>estável</p><p>Em termos “macroscópicos”:</p><p>– Um sistema está em equilíbrio quando suas</p><p>características não mudam com o tempo, e tende a</p><p>permanecer nas condições em que se encontra</p><p>indefinidamente, a não ser que seja perturbado</p><p>externamente.</p><p>• Em termos termodinâmicos:</p><p>– Um sistema está em equilíbrio quando sua energia</p><p>livre é mínima, consideradas as condições de</p><p>temperatura, pressão e composição em que ele se</p><p>encontra.</p><p>– Variações dessas condições resultam numa alteração</p><p>da energia livre, e o sistema pode espontaneamente se</p><p>alterar para um outro estado de equilíbrio (no qual a</p><p>energia livre seja mínima para as novas condições de</p><p>temperatura, pressão e composição).</p><p>𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐿𝑖𝑣𝑟𝑒: ∆𝐺 = ∆𝐻 – 𝑇 ∆𝑆</p><p>19</p><p>C: 2</p><p>P: 2</p><p>C: 1</p><p>P: 2</p><p>C: 2</p><p>P: 1</p><p>Limite de solubilidade!</p><p>20</p><p>Limite de solubilidade</p><p>“Para muitos sistemas e para uma</p><p>determinada temperatura, existe</p><p>uma concentração máxima de</p><p>átomos de soluto que pode ser</p><p>dissolvida no solvente formando</p><p>uma solução sólida. Essa</p><p>concentração máxima é chamada</p><p>limite de solubilidade.”</p>