Física de Altas Pressões (P > 1 GPa = atm)

Transcrição

1 Física de Altas Pressões (P > 1 GPa = atm) Naira Maria Balzaretti Márcia Russman Gallas As 4 aulas estarão disponíveis em pdf na página da Profa. Márcia R. Gallas Parte do material utilizado foi disponibilizado pelo Prof. Altair Sória Pereira

2 Unidades de Pressão 1 Pa = 1 N/m 2 1 bar = 0, atm = 0,1 MPa 1 GPa = 10 kbar = 9869,23 atm = 10197,2 kgf/cm 2 = psi

3 Pressão : Compactação, densificação (eliminação de espaços vazios; aproximação) Indução de deformação elástica e plástica (cisalhamento) Definição do estado de equilíbrio (variável termodinâmica) O uso isolado ou combinado destes efeitos torna a pressão uma ferramenta importante no estudo de diferentes materiais.

4 Aplicações 12,4-13,8 MPa

5 Considerações termodinâmicas «Variável termodinâmica intensiva que exprime a variação da energia do sistema associada à variação da variável extensiva conjugada, que é o volume»

6 A partir da energia interna do sistema (U) : U(S,V, n i ) = TS PV + µ i n i du = ( U/ S) V,ni ds + ( U/ V) S,ni dv + ( U/ n i ) S,V,nj i dn i T = ( U/ S) V,ni P = - ( U/ V) S,ni µ i =( U/ n i ) S,V,nj i Sistema em equilíbrio energia interna é mínima

7 Equilíbrio estável Flutuações reversíveis das variáveis extensivas Condição hidrostática: ( 2 U/ V 2 ) S >0 (mínimo) (-P)/ V>0 Compressibilidade positiva Quando aumentamos a pressão de uma fase em equilíbrio, seu volume diminui. Condição térmica: ( 2 U/ S 2 ) V >0 T/ S>0 Capacidade térmica positiva Quando aumentamos a energia térmica a volume constante, a temperatura aumenta.

8 Potenciais termodinâmicos U(S,V,n i ) = TS PV + µ i n i energia interna F(T,V,n i ) = U-TS H(S,P,n i ) = U+PV energia livre de Helmholtz entalpia G(T,P,n i ) = U-TS+PV energia livre de Gibbs

9 Equivalência entre o potencial químico (µ) e a energia livre de Gibbs (G): Sistema com apenas uma componente: G = µ.n µ = G/n energia livre molar dµ = -S m dt + V m dp S m,v m : entropia e volume molar V m = ( µ/ P) T S m = - ( µ/ T) P Várias componentes: x i dµ i = -S m dt + V m dp x i : fração molar

10 Critérios de evolução de um sistema com a variação de P: Uma fase em equilíbrio: compressibilidade positiva Quando aumentamos a pressão de uma fase em equilíbrio seu volume diminui. Aproximação dos componentes Depende de Variação de Interações interatômicas µ V m = ( µ/ P) T V m Compressibilidade: β T = -1/V m ( V m / P) T P P

11 Critérios de evolução do sistema com a variação de P : Transição α β: µ α >µ β µ = µ β - µ α < 0 ( µ/ P) T = ( µ β / P) T ( µ α / P) T = V m β -V m α V m < 0 A fase mais estável com o aumento da pressão será sempre mais densa! Princípio de Le Châtelier Para as transições induzidas por variação de T à P constante: ( µ/ T) P = ( µ β / T) P ( µ α / T) P = -S m β (-S m α ) - S m < 0 A fase mais estável com o aumento da temperatura sempre terá maior entropia!

12 µ µ α µ β Força Motriz ( µ) para a transição α β à P tr V m P V α P V β P eq P tr P Obtenção de fase mais densa: variação das propriedades mecânicas, elétricas, ópticas, magnéticas.

13 1. Quais são os valores de pressão necessários para produzir uma variação significativa da energia livre de uma fase? 2. Quais são os equipamentos necessários para produzir estas pressões?

14 Quais são os valores de pressão necessários para produzir uma variação significativa da energia livre de uma fase? Depende da relaçãov m (P,T) Equação de estado da fase Conseqüência das interações interatômicas em questão Não existe uma equação de estado universal Valores bastante distintos para sistemas gasosos e sólidos

15 P / MPa 10 5

16 Compressão de diferentes materiais (P. Richet, In: La pression: un outil pour les sciences. CNRS Éditions, 2003.)

17 Escala de Pressão atmosferas atmosferas pressão no espaço melhor vácuo produzido em laborátorio pressão sangüínea média pressão ao nível do mar pressão de ar em um pneu de bicicleta pressão na fossa mais profunda do mar pressão para transformar grafite em diamante pressão máxima produzida em câmaras de diamante pressão no centro da Terra pressão no centro de Júpiter pressão no centro do Sol pressão no centro das estrelas de nêutrons 1 GPa = atm 7.7GPa = atm LAPMA

18 Quais são os equipamentos necessários para produzir altas pressões (acima de 1 GPa)? Depende.. Valor da pressão Volume sob pressão Nível de hidrostacidade A energia acumulada no volume sob pressão é dada pelo produto PV. Explosão de 1kg de TNT 4 MJ

19 Quais são os equipamentos necessários para produzir estas pressões? 1. Sistemas Passivos (altas pressões hidrostáticas pelo aquecimento de fluidos confinados) : i. Autoclaves: aquecimento externo ~1 GPa/800 C (normalmente ~100 MPa) ii. Reatores com aquecimento interno ~1,5 GPa/1500 C Problema: cintamento

20 2. Sistemas Ativos (alta pressão por aplicação de uma força externa) i. Pistão cilindro F Limites: Aços: ~ 2-3 GPa Regiões de concentração de tensão que limitam a pressão máxima F F WC: ~ 5 GPa Acima de 5 GPa: próxima aula