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Capítulo 11 - Equilíbrio de Sistemas

Tópico 11.5. O Diagrama do Ferro (Fe) (Parte A)

Como o estudo dos materiais é usualmente limitado à consideração dos sistemas condensados (líquido e sólido), é importante considerarmos a descrição termodinâmica das transformações alotrópicas, que são mudanças de fase que ocorrem no mesmo estado de agregação da matéria. Por exemplo, transformações de fase que ocorrem no Estado Sólido. Estas mudanças ocorrem em muitos sistemas, tais como , , Sn, Ti, Zr e Fe.
As transformações alotrópicas do ferro são as mais bem compreendidas de todas e são de grande importância prática, pois causam grandes variações nas propriedades de ligas que contêm ferro. Industrialmente, estas transformações são obtidas pelo tratamento térmico dos aços. A Figura 11.d mostra um diagrama de fases do ferro puro à pressão de uma atmosfera. O ferro, tanto sólido como líquido, é normalmente manuseado e produzido à pressão atmosférica (1 atm, 766mmHg). Em torno dos valores de pressão igual ou próximo da pressão atmosférica, os equilíbrios de fases condensadas são relativamente insensíveis a pequenas variações desta variável. Assim, o diagrama de fases para o ferro puro pode ser desenhado apenas com a temperatura como coordenada (Figura 11.d).
A energia livre de Gibbs (G) (1) da forma cristalográfica estável numa determinada faixa de temperaturas deve ser menor que a de qualquer outra forma. A partir da i-confirmação experimental das fases presentes e das temperaturas nas quais elas existem; ii - do cálculo das capacidades caloríficas, e iii - das variações de entalpia (H) (2) que acompanham as mudanças de fase; a energia livre G de cada uma das formas alotrópicas do ferro pode ser calculada em função da temperatura. Para conseguirmos isto, devemos usar as relações entre G, H (entalpia), S (entropia) e Cp (calor específico molar a pressão constante), dadas no Cap. 10 - Termodinâmica.

Figura 11.d- Diagrama de fases do ferro puro (Fe) à pressão de uma atmosfera.
Notas:
(1) A energia livre de Gibbs (G) é a parte da energia de um sistema que está disponível para reações químicas com o seu entorno. No equilíbrio, o potencial químico de cada um dos componentes assume o mesmo valor em todos os pontos do sistema e sua energia livre é mínima para alguma combinação específica de temperatura, pressão e composição.
O potencial químico de um sistema está relacionado com a reatividade dos componentes deste sistema, no sentido do estabelecimento do equilíbrio. Esta, aliás, é a condição de equilíbrio, que será amplamente empregada no estudo dos diagramas de fases e das soluções e misturas que constituem os sistemas de materiais metálicos e não-metálicos com os quais lidamos no cotidiano.
O equilíbrio é descrito sucintamente em termos da energia interna de um sistema e também da aleatoriedade ou desordem dos átomos ou moléculas (ou entropia ou S).
(2) H (Entalpia) = E + PV. E é a energia interna do sistema, isto é, a energia total dentro das fronteiras do sistema, P é a Pressão no sistema e V é o volume do sistema.