Reações Líquido / Líquido
Cinética das Reações
Líquido / Líquido
• cadinho do alto-forno
• refino do gusa líquido : aço
• reações metal / escória: refino de Pb e outros metais
• mecanismos e controles:
– convecção
– difusão
– tensão superficial
– adsorção
– reação química (elementar e não elementar)
– reação eletroquímico (PMT2423)
Modelos
• Modelo de Contato Plano
• Modelo de Contato em Superfície Esférica
Podem ocorrer simultaneamente.
Original: para METAL/ESCÓRIA em cadinho de alto-forno.
• Modelo de Contato Plano
– convecção do elemento até a borda da camada limite
– difusão do elemento até a interface através da camada limite
– adsorção / reação química (ou eletroquímica na interface) /
desorção
– difusão do elemento (ou composto, ou íon) através da camada
limite da outra fase líquida
– convecção do elemento (ou composto ou íon) para o interior
desta fase líquida
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
Num banho de Fe
l
(aço):
“m”: S, P, C, Si, Mn, outros.
Legenda:
m = elemento
m = elemento dissolvido;
e = escória;
b = banho;
i = interface
(Ref.: CAMPOS, V. F. Cinética das Reações Metalúrgicas. In: TAMBASCO, M. J. A. Curso sobre Redução de Minério de Ferro em Alto-Forno, ABM, 2.ed., 1974, p. II.55 - II.87.)
• Modelo de Contato em Superfície Esférica
– as etapas são as mesmas do modelo anterior mas com:
• menor espessura de camada limite
• maior área de interface de reação por unidade de
massa do metal
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
7
Exemplo: Refino do gusa
processo
Siemens-Martin: 60 t / 8 -12h
Modelo do Contato Plano
processo
LD: 60 t / 20 min
Modelo do Contato em Superfície Esférica:
mistura metal-gás-escória gera gotas de
metal envoltas por escória
Ref.: CAMPOS, V. F. Cinética das
Reações Metalúrgicas.
In: TAMBASCO, M. J. A. Curso
sobre Redução de Minério de
Ferro em Alto-Forno, ABM, 2.ed.,
1974, p. II.55 - II.87.
Em reações L/L:
• Os cálculos são feitos através:
– da integração das Leis de Fick e
– da teoria eletroquímica (que será apresentada na
Reações Líquido/Gás
Importância tecnológica
• Refino de metais por destilação fracionada
• Desgaseificação e Refino (C, P) de metais líquidos
(a) com injeção de gás inerte
• Ar (argônio) em Al
(l),
H
2• Ar em Fe-C,
H
2(b) com injeção de O
2(c) sob vácuo
(d) através de produto gasoso formado a partir de constituintes dissolvidos
• C + O = CO (em aço)
• Vaporização de impurezas:
– Metais pesados em matte de cobre: prejuízos no processo (Pb, Sn e Zn)
Fábrica de oxigênio faz parte das instalações da siderúrgica
Foto: COSIPA, 1990 (atual: USIMINAS CUBATÃO)
Reações Líquido/Gás: produção de O
2
, N
2
, Ar, outros.
Destilação Fracionada
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
13
http://www.boniequipamentos.com.br/capa.asp?pi=produto&proid=329Consulta: 28/out/2013
Diâmetro 1350 mm,
55 Bandejas com
Reações Líquido/Gás
Desgaseificação:
Aços Especiais
(O
2
, H
2
, N
2
, CO)
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
15
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=degassing_treatment_of_molten_aluminum_alloys
Consulta: 20/out/2013
Reações Líquido/Gás
Desgaseificação:
Alumínio e Ligas
(H
2
)
Reações Líquido/Gás
• Refino por destilação fracionada
– É um processo de sucessivas etapas de: aquecimento, separação e
resfriamento.
– Misturas líquidas, aquecidas até o ponto de ebulição, geram um gás de
equilíbrio mais concentrado no componente em questão. O gás percorre
uma coluna, onde sofre um abaixamento da temperatura, condensa-se,
gerando outro líquido - mais concentrado que o primeiro - em equilíbrio
com outro gás e assim sucessivamente.
– Para um sistema binário, esse percurso ocorre sobre um diagrama de
T1
V
L
T2
T4
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
17
T5
T6
T7
T3
T8
T9
•O L A-B entra na torre de destilação à T5 e se
decompõe em V e L de concentrações de
equilíbrio.
•O V sobe e atinge temperaturas mais baixas.
•O L desce e atinge temperaturas mais altas.
•Tanto o V quanto o L se decompõem segundo o
diagrama de equilíbrio, gerando L e V
enriquecidos em B e A respectivamente.
T1
T1
V
L
V
L
T2
T2
L enriquecido em B escorre V enriquecido em A sobeT3
A – B
V
T3
L
L enriquecido em B escorre V enriquecido em A sobeRESULTADO: gás rico em A e
líquido rico em B
Gás com alto grau de pureza em A (A
g)
Líquido com alto grau de pureza em B (B
l)
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
EXEMPLO: produção de O
2em siderúrgicas e outros
gases (N
2e Ar), provenientes do ar atmosférico.
http://kea.princeton.edu/ppe/old/pb
aranel/paper.htm
Consulta: 28/out/2013
Paul Baranello, “Using the Gibbs Ensemble Monte
Carlo Method for Diatomic Lennard-Jones
Systems”, Figura 12.
All four runs were done at
100 K (-173°C). (Figure 12).
NPT: número de partículas, pressão e
temperatura são constantes.
Ebulição O
2: -183°C
Ebulição N
2: -195,79°C
1 bar ≈ 0,987 atm
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
21
TENSÃO SUPERFICIAL
• Forças devidas à Tensão Superficial
• Capilaridade
• Molhamento - Menisco
• Curvatura de superfícies
• Formação de bolhas (em metais
líquidos)
http://pt.wikipedia.org/wiki/Capilaridade Consulta 30/out/2013
Capilaridade:
Pressão sobre líquidos
É o efeito do equilíbrio das
forças de pressão
nas diferentes áreas.
http://alfaconnection.net/pag_avsf/fqm0103.htm Consulta 30/out/2013
A1
A2
Área maior = A1
Área menor = A2 (seção do capilar)
F1 = P.A1
F2 = P.A2
Sendo que F1 > F2, portanto, F1 empurra o líquido para cima, até o equilíbrio das forças.
A tensão superficial inclui uma força que participa desse equilíbrio mecânico e, portanto,
também participa da determinação da altura de equilíbrio “h”.
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
23
http://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/capilaridade-a-passagem-natural-do-liquido-por-um-tubo-muito-fino.htm Consulta 30/out/2013
Seção transversal de uma agulha sobre água.
F
w
é o peso, e faz uma força contra a superfície da água que
é equilibrada pelas forças de tensão superficial da água em
ambos os lados, F
s
.
WHITE, Harvey E.. Modern College Physics. [S.l.]: van Nostrand, 1948. ISBN 0442294018 apud: http://pt.wikipedia.org/wiki/Tens%C3%A3o_superficial
Consulta 30/out/2013
• Curvatura das superfícies líquidas
Existência de interface:
A condição de equilíbrio mecânico de uma interface é, na sua
forma mais geral, determinada pela
Equação de Young-Laplace:
2
1
2
1
1
1
R
R
P
P
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
25
Mais adiante, como exercício: determinação da
Equação de Young-Laplace:
P
1
P
2
#
Onde:
P
1
= pressão do lado côncavo
P
2
= pressão do lado convexo
σ = tensão superficial
R
1
, R
2
= raios de curvaturas entre 2 planos
perpendiculares entre si
2
1
2
1
1
1
R
R
P
P
Obs: em geometria prova-se que
1/R
1+ 1/R
2= cte, de modo que
quando R
1é máximo, R
2é mínimo e
nesta condição, R
1e R
2são
chamados raios principais de
curvatura.
= F / l
[
] = N/m
F: força
Superfície plana, R
1
, R
2
∞
P
1
= P
2
Superfície esférica, R
1
= R
2
= R
P
1
- P
2
= 2σ
R
2 1 2 11
1
R
R
P
P
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
27
• Formação espontânea de bolhas de gás no interior de
banhos metálicos
Assim, a condição de existência de uma bolha de gás de raio R no
interior de um banho metálico é dada por:
P
atm
P
ih
h+R
R
2σ
P
P
i
ext
R
2σ
P
R)
ρg(h
P
i
atm
atm
i
ρg(h
R)
P
R
2σ
Ou seja, a condição de estabilidade é:
R
2σ
P
P
i
ext
ext
i
P
P
2σ
R
Mecanismos Líquido / Gás para
Al
(l)
e Aços
(l)
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
31
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=degassing_treatment_of_molten_aluminum_alloys
Consulta: 20/out/2013
Hidrogênio em Al
Al líquido dissolve H através da reação com vapor de água:
2Al
(l)
+ 3H
2
O = Al
2
O
3
+ 6H
No Al sólido, isso resulta em porosidade: defeito grave.
As fontes de hidrogênio no Al líquido são:
- Umidade da atmosfera
- Carga úmida
- Umidade das panelas
- Fluxantes e outros consumíveis (acerto da composição química e controle
de tamanho de grão)
Desgaseificação por Fluxantes
Os fluxantes são compostos de cloro que são adicionados na forma
sólida (granulado, geralmente pastilhas).
Esses compostos reagem formando gás: Cl
2
.
(AlCl
3
: Ponto de fusão = 190°C)
As bolhas de gás sobem através do metal líquido, sendo que a
pressão parcial de hidrogênio nas bolhas é muito baixa.
Por isso, ocorre difusão do hidrogênio para o interior das bolhas.
Estas bolhas escapam do metal líquido e são removidas por
sistema de exaustão.
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
33
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=degassing_treatment_of_molten_aluminum_alloys
Consulta: 20/out/2013
Na desgaseificação rotativa é
utilizado gás inerte (Argônio
e/ou Nitrogênio).
A injeção de gás é feita através
de um rotor. A energia rotacional
causa a formação de grande
número de finas bolhas, o que
aumenta significativamente a
razão Área superficial/Volume.
A grande área de superfície
promove rápida difusão de
hidrogênio para o interior das
bolhas de gás, até que seja atingido
o equilíbrio (igualdade das
atividades do H dissolvido no Al e
H
2
no interior das bolhas).
A desgaseificação é mais completa
que aquela obtida pelo uso de
fluxantes.
Além disso, não utiliza substâncias
nocivas ao meio ambiente, como o
gás Cl
2
.
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
35
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=degassing_treatment_of_molten_aluminum_alloys
Consulta: 20/out/2013
Também pode ser utilizada a
Desgaseificação Rotativa
associada à Desgaseificação por
Fluxantes.
O gás inerte distribui
uniformemente o sal granulado
(AlCl
3
). Otimiza o tempo e a
remoção de H.
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
37
https://www.crystec.com/tkralue.htm
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
39
Ref.: Texto extraído do trabalho de Mariana Perez de Oliveira, 2012.
) g ( ) s ( 3 2 __________ __________ __________ __________ ) s ( 3 2 ) g (
CO
3
Cr
2
C
3
O
Cr
O
3
Cr
2
O
Cr
CO
3
O
3
C
3
Inoxidáveis: deve-se manter Cr alto e
C baixo: alto (%Cr/%C).
Termodinâmica da reação depende de:
Temperatura;
P
CO
;
Ex: para 15% Cr, objetivando 0,05%C e P
CO
= 1 atm a T > 1900
o
C
Emprego de lança de oxigênio no FEA para oxidação e aumento da T do banho
leva ao desgaste do refratário que se torna acelerado quando T > 1725
o
C,
portanto, economicamente inviável.
Outra alternativa: diminuição da P
CO
76
,
8
P
925
,
0
T
13800
C
%
Cr
%
log
CO
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
41
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
43
4.
Transporte de C, Cr e N por convecção no Me
(l)até a camada limite do Me
(l).
5.
Difusão de C, Cr e N através da camada limite do Me
(l).
6.
Adsorção de C, Cr e N na interface metal/escória.
7.
Reações na interface:
a)
Fe + O = FeO;
b)
2Cr + 3O = Cr
2O
3; mais estável que FeO.
c)
Cr
2O
3+ 3C = 2Cr + 3CO
(g);
d)
C + O = CO
ads; CO
ads= CO
(g);
e)
N + N = N
2ads; N
2,ads= N
2,(g);
(1) Reações na superfície do banho de
Metal Líquido
1.
Transporte de O
2por convecção até à
camada limite gasosa.
2.
Difusão de O
2até a superfície de Me
(l)através da camada limite gasosa.
3.
Adsorção Dissociativa: O
2,ads= 2O
ads.
Ref.: KITAMURA et al., 1996 apud: Texto extraído do trabalho de Mariana Perez de Oliveira, 2012.
* O N
2dilui o CO, diminuindo sua pressão parcial no
interior das bolhas, o que favorece a descarburação.
(2) Reações na superfície das bolhas de CO
PRINCIPAL CONTRIBUIÇÃO NA DESCARBURAÇÃO
1. C + O = CO
(g); nucleação e crescimento /
coalescimento de bolhas;
2. Convecção e Difusão de C, O e N até a
interface Me
(l)/Gás
3. Reações:
a) C + O = CO
ads; CO
ads= CO
(g);
b) N + N = N
2ads; N
2,ads= N
2,(g);
c) Difusão de CO
(g)e N
2,(g)através da
camada limite interna da bolha de gás.*
d) Durante a permanência da bolha de gás
no Me
(l), ocorre a descarburação, por
isso, é chamada de Zona de Reação.
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45
** O Ar dilui o CO (e N
2), diminuindo sua
pressão parcial, o que favorece a
descarburação.
(2) Reações na superfície das bolhas
de Ar injetado
Ref.: KITAMURA et al., 1996 apud: Texto extraído do trabalho de Mariana Perez de Oliveira, 2012.
(2) Reações na superfície das bolhas
de Ar injetado
Na região estagnada a descarburação é
lenta, pois depende exclusivamente da
Difusão dos elementos dissolvidos até uma
superfície, ou até a saturação necessária para
nucleação de uma bolha de CO ou N
2.
1. A injeção de Ar forma folhas desse gás na
região estagnada;
2. Difusão de C, O e N até a interface Me
(l)/ Bolha
de Ar;
3. Reações:
a) C + O = CO
ads; CO
ads= CO
(g);
b) N + N = N
2ads; N
2,ads= N
2,(g);
c) Difusão de CO
(g)e N
2,(g)através da camada
limite interna da bolha de gás.**
d) Durante a permanência da bolha de gás no
Me
(l), ocorre a descarburação.
** O Ar dilui o CO (e N
2), diminuindo sua
pressão parcial, o que favorece a
1. Num forno elétrico a arco de
25 t
, são necessárias
2h
para diminuir o teor
de
enxofre de 0,026%
para
0,009%
sob
condições normais de operação
.
Sob agitação
(apenas do banho metálico), neste intervalo de tempo, o teor de
enxofre diminui de
0,026%
para
0,007%
.
Sabendo-se que a escória é tal que, no equilíbrio o teor de enxofre no banho é
0,006%
, determinar a espessura da camada limite de difusão (no metal) nos
dois casos, supondo que a etapa controladora do processo seja o
transporte por
difusão do enxofre na fase metálica
.
Dados: Área da interface metal / escória: 1,8x10
5
cm
2
(ou 18 m
2
);
D
S
= 5x10
-5
cm
2
/s;
aço
= 7g/cm
3
; Mol do S = 32
Resposta: 0,00956 cm; 0,00606 cm.
EXERCÍCIOS
LÍQUIDO/LÍQUIDO E LÍQUIDO/GÁS
cte
x
cte
x
ln
cte
x
dx
1
2
x
x
2
1
Mais dados:
100
.
S
Mol
S
.%
100
.
S
Mol
.
V
S
.%
m
S
Mol
.
V
m
V
n
c
S
S
S
T
t = 0
c
S,b= 0,026%
t = 2h
c
S,b= 0,009%
t cS,int = 0,006%x
c
S
Metal
Escória
Me
= ?
esc
(S)
S
condições normais do Me
(l)
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
49
0
J
S
t = 0
c
S,b= 0,026%
t = 2h
c
S,b= 0,007%
t cS,int = 0,006%x
c
S
Metal
Escória
esc
Me
= ?
(S)
S
0
J
S
cm
00956
,
0
01814
,
0
150
,
0
ln
60
x
60
x
2
.
x
7
25000000
10
x
5
x
10
x
8
,
1
006
,
0
026
,
0
006
,
0
009
,
0
ln
t
.
V
D
.
A
c
c
c
c
ln
dt
V
D
.
A
c
c
dc
c
c
.
D
.
V
A
dt
dc
5 5 S eq , S in , S eq , S fin , S t 0 S c c eq , S S S eq , S S S S S,fin in , S
0
c
c
).
D
.(
V
A
dt
dc
J
V
A
dt
dc
J
dt
.
A
)
c
.
V
(
d
dt
.
A
dn
r
eq , S S S S S S S S S Scm
00606
,
0
01814
,
0
050
,
0
ln
60
x
60
x
2
.
x
7
25000000
10
x
5
x
10
x
8
,
1
006
,
0
026
,
0
006
,
0
007
,
0
ln
t
.
V
D
.
A
c
c
c
c
ln
dt
V
D
.
A
c
c
dc
c
c
.
D
.
V
A
dt
dc
5 5 S eq , S in , S eq , S fin , S t 0 S c c eq , S S S eq , S S S S S,fin in , S
2. A absorção de nitrogênio pelo ferro líquido a partir de um
gás contendo nitrogênio envolve as seguintes etapas (de
transporte de massa
e reações
elementares
):
(1) Difusão do N
2gasoso até a superfície do banho, através da camada
limite gasosa.
(2) Adsorção dissociativa do N
2.
(3) Dissolução do N
adsna superfície do metal líquido (N).
(4) Difusão do nitrogênio dissolvido para o interior do banho de Fe
l.
A tabela a seguir contém a taxa de acréscimo do nitrogênio no
ferro líquido no início de experiências, onde o
teor de
nitrogênio (inicial) do banho é zero
, em função da pressão
parcial do N
2
. A temperatura foi mantida constante durante a
experiência. Foram realizadas experiências para o ferro
sem
e
com
enxofre
dissolvido
. Qual das etapas controla o processo?
P
N2
0 %S
0,12 %S
atm
%N/s *
%N/s *
0,2
1,10E-04
1,80E-05
0,4
1,55E-04
3,60E-05
0,6
1,95E-04
5,40E-05
0,8
2,25E-04
7,00E-05
1
2,50E-04
9,00E-05
SOLUÇÃO:
ETAPAS:
(1) Difusão do N
2gasoso até a superfície do banho, através da camada limite gasosa.
c
Nads
c
N
J
N
(2) Adsorção dissociativa do N
2:
N
2= 2N
ads(3) Dissolução do N
adsna superfície do metal líquido (N):
N
ads= N
(4) Difusão do nitrogênio dissolvido (N) para o interior do banho de Fe
l.
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
55
Gás (N
2
)
Fe
(l)
P
N2(g)(1) D
N2
em meio gasoso é maior do que em meio líquido: portanto,
esta etapa não controla a cinética.
A equação cinética para P
N2,interface
= 0 é:
r
1
= k.P
N2
Lembrar: r
1
= J
N2
2
N
1
2
N
2
N
1
2
N
2
N
2
N
2
N
1
P
.
k
r
P
D
r
P
D
0
0
P
D
r
(2) Adsorção Dissociativa:
2
N
1
2
Nads
2
Nads
2
2
N
2
2
Nads
2
2
N
2
2
1
ads
2
P
k
r
0
c
:
como
c
k
P
RT
'
k
r
c
k
c
'
k
r
)
reversível
e
elementar
(
k
e
k
N
2
N
2
N
2
3
3
2
N
2
Nads
2
N
2
Nads
2
ads
2
Nads
3
3
N
N
4
Nads
3
3
4
3
ads
P
.
K
k
r
P
.
K
c
P
c
K
N
2
N
:
equilíbrio
em
estão
)
2
(
e
)
1
(
controla
)
3
(
Se
c
k
r
0
c
:
como
c
k
c
k
r
k
e
k
N
N
(3) Dissolução do N (na interface ou nas primeiras
camadas atômicas do Fe líquido).
(4) Difusão do N para o interior do banho de metal líquido.
2
N
4
N
4
2
N
4
N
2
N
2
N
4
2
N
N
N
N
N
N
N
4
P
.
K
.
D
r
P
.
K
c
P
c
K
N
2
N
:
equilíbrio
em
estão
)
3
(
e
)
2
(
,
)
1
(
controla
)
4
(
Se
c
D
)
0
(
)
0
c
(
D
x
c
D
J
r
ETAPAS:
(1) Difusão do N
2
gasoso, através da camada limite gasosa.
r
1
= k.P
N2
(2) Adsorção dissociativa do N
2
:
N
2
= 2N
ads
r
2
= k
2
.P
N2
(3) Dissolução do N
ads
na superfície do metal líquido (N):
N
ads
= N
r
3
= k
3
.
K
2
.P
N2
= k
3
’.
.P
N2
(4) Difusão do nitrogênio dissolvido (N) para o interior do banho de Fe
l
.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 pressão de nitrogênio (atm)
0E+0 1E-4 2E-4 3E-4 T a x a d e a b so rç ã o ( % N / s ) 0% S 0,12% S 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 raiz quadrada da
pressão de nitrogênio (raiz de atm) 0E+0 1E-4 2E-4 3E-4 T a x a d e a b so rç ã o ( % N / s ) 0% S 0,12% S
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
61
0,12%S
0%S
0%S
Quando há S
no banho, a dependência é linear com a P
N2
.
O controle é por:
difusão de N
2
na camada limite gasosa ou
adsorção dissociativa.
Para distinguir qual é o controle, basta fazer experimentos com e
sem agitação.
Quando não há S
no banho, a dependência é linear com a
P
N2
.
O controle pode ser por:
dissolução ou
difusão da espécie dissolvida na camada limite do metal líquido.
Novamente, para determinar qual é a etapa controladora é necessário
ensaio com e sem agitação.
0%S r = k.PN2 r = k.(PN2)1/2 0,12%S r = k.PN2 r = k.(PN2)1/2
rN PN2 rN PN2
%N/s atm k k N/s atm k k
1,10E-04 0,2 5,5E-04 2,5E-04 1,8E-05 0,2 9,0E-05 4,0E-05
1,55E-04 0,4 3,9E-04 2,5E-04 3,6E-05 0,4 9,0E-05 5,7E-05
1,95E-04 0,6 3,3E-04 2,5E-04 5,4E-05 0,6 9,0E-05 7,0E-05
2,25E-04 0,8 2,8E-04 2,5E-04 7,0E-05 0,8 8,8E-05 7,8E-05
2,50E-04 1 2,5E-04 2,5E-04 9,0E-05 1 9,0E-05 9,0E-05
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
63
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
pressão de nitrogênio (atm) 0E+0 1E-4 2E-4 3E-4 T a x a d e a b so rç ã o ( % N / s ) 0% S 0,12% S 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 raiz quadrada da
pressão de nitrogênio (raiz de atm) 0E+0 1E-4 2E-4 3E-4 T a x a d e a b so rç ã o ( % N / s ) 0% S 0,12% S
0,12%S
0%S
0%S
0,12%S
3. Calcular a pressão interna mínima de uma bolha de gás de raio
igual a 10
-4
cm
(10
-6
m)
num banho de aço a 1600°C, a uma
profundidade de 20 cm
(0,20 m)
.
Dado:
1 atm =
101325 Pa
(1 Pa = 1N/m
2
)
g = 980 cm/s
2
=
9,80 m/s
2
tensão superficial do aço:
= 1400 d/cm
(0,014 N / 10
-2
m = 1,4 N/m = 1,4 kg.m/s
2
)
;
)
atm
8
,
28
Pa
10
x
9
,
2
P
Pa
000
.
800
.
2
Pa
700
.
13
Pa
325
.
101
P
m
10
m
.
N
4
,
1
2
m
10
20
,
0
x
s
.
m
80
,
9
x
m
.
kg
000
.
7
Pa
325
.
101
P
R
2σ
R)
ρg(h
P
P
6
i
i
6
1
6
2
3
i
atm
i
Nota:
96,1% P
int
é devida à parcela referente à tensão superficial.
P
int
P
ext
O sistema é o ÊMBOLO + GOTA.
O líquido é incompressível, portanto, a variação de
volume do êmbolo é o aumento de volume da gota.
4. Deduzir a equação de Young-Laplace para uma gota
esférica, utilizando as expressões de trabalho.
δw
sistema
= δ w
DESLOCAMENTO
+ δ w
SUP
Após aplicação de P
1
, a bolha assume sua
configuração final, e o δw
sistema
= 0.
Resultando:
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
R
8
R
4
)
P
P
(
dR
R
8
dR
R
4
)
P
P
(
)
R
4
(
d
)
R
3
4
(
d
)
P
P
(
dA
dV
)
P
P
(
dA
dV
P
dA
Adx
P
)
0
w
:
Fdx
(
)
dA
(
Fdx
w
w
2
ext
int
2
ext
int
2
3
ext
int
int
ext
T
T
recebido
SUP
TO
DESLOCAMEN
Não há crescimento
da gota:
δw = dR = 0
R
2
P
P
2
R
)
P
P
(
EXT
int
1
int
5. Durante a eliminação de
C
na forma de
CO
de aços líquidos, ocorre paralelamente
eliminação de
hidrogênio
, que se difunde para o interior dessas bolhas e sai com elas do
banho metálico.
Admitindo-se que:
a.
A pressão parcial do
CO
nas bolhas é
1 atm.
b.
A eliminação de CO é suficientemente lenta para que o hidrogênio no seu
interior esteja em equilíbrio com o hidrogênio dissolvido no banho metálico.
c.
A temperatura do aço líquido seja de 1600°C.
d.
O
teor inicial
de hidrogênio no aço é
0,0025%
.
e.
O
tempo
de reação é
30 min
.
Pede-se:
a.
Calcular o teor de hidrogênio se o carbono é eliminado do banho a uma taxa de
0,35%
em peso/massa por hora.
b.
Idem anterior, mas para a pressão parcial de
CO
de
0,1 atm
.
Dados:
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros
)
1
...(
RT
M olC
.
100
)
C
%
m
(
d
dV
P
RT
dn
dV
P
CO
O
C
RT
dn
dV
P
nRT
PV
T
CO
C
CO
CO
CO
dV é o volume de uma bolha que contém dn
CO
mols de CO e dn
H2
mols de H
2
.
)
2
...(
RT
M olH
.
100
.
2
)
H
%
m
(
d
dV
P
RT
2
dn
dV
P
H
2
/
1
H
RT
dn
dV
P
nRT
PV
T
2
H
H
2
H
2
2
H
2
H
)
H
(%
d
.
6
)
C
(%
d
P
P
2
)
H
(%
d
12
)
C
(%
d
P
P
M olH
.
100
.
2
)
H
%
m
(
d
M olC
.
100
)
C
%
m
(
d
dV
P
dV
P
:
)
2
/(
)
1
(
2
H
CO
2
H
CO
T
T
2
H
CO
)
H
(%
d
.
6
)
C
(%
d
P
)
H
(%
)
10
x
7
,
2
(
)
10
x
7
,
2
(
)
H
(%
P
10
x
7
,
2
)
P
(
H
%
K
H
H
2
/
1
)
H
(%
d
.
6
)
C
(%
d
P
P
CO
2
2
3
2
3
2
2
H
3
2
/
1
2
H
%
1
2
2
H
CO
PMT 2306 - Físico-Química para Engenharia Metalúrgica e de Materiais II - Neusa Alonso-Falleiros