65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 4. Física da Matéria Condensada

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL USANDO O MODELO DE BRILLOUIN EM PARAMAGNETOS E MAGNETOS SIMPLES: APLICAÇÃO PARA UM COMPÓSITO A BASE DE GADOLÍNIO PARA SER UTILIZADO COMO UM REFRIGERADOR MAGNÉTICO ATIVO (AMR) EMPREGANDO O CICLO DE ERICSSON.

Luís André Gil - Engenharia Elétrica - Universidade Federal de São João Del Rei - UFSJ Juan Carlos Paredes Campoy - Prof. Dr./Orientador - Departamento de Ciências Naturais - UFSJ

INTRODUÇÃO:

O efeito magnetocalórico (EMC) pode ser entendido como o aquecimento ou resfriamento de um material magnético, quando submetido a uma variação de campo magnético aplicado. Podemos aferir e caracterizar este fenômeno por meio da variação adiabática da temperatura e pela variação isotérmica da entropia do sistema. Uma aplicação direta do EMC se refere à obtenção de dispositivos termomagnéticos e neste sentido, materiais a base de Gd representam uma grande perspectiva tecnológica. Na década de 80, por exemplo, verificou-se uma ampla utilização do composto Gadolínio Gálio Garnet (GGG), para a refrigeração em baixas temperaturas. Recentemente, a família de compostos Gd5Ge2Si2 surge como uma possibilidade tecnológica para a refrigeração a temperatura ambiente e também a baixas temperaturas. A importância de compostos a base de Gd justifica a iniciativa de compreender o magnetismo originado por ele em sistemas magnéticos onde se constitui como o único elemento magneticamente ativo. No presente estudo apresentamos uma simulação computacional para modelar um dispositivo termomagnético proposto para ser construído empregando compostos a base de Gd, sendo idealizado o seu funcionamento como um refrigerador magnético ativo (AMR) utilizando o ciclo de Ericsson.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Empregar as abordagens termodinâmica e estatística para a simulação computacional do Gd e dos compostos GdZn, GdPd, Gd5CoSi2, GdNi e GdNi2. Pretende-se modelar um dispositivo termomagnético usando compostos a base de Gd para seu funcionamento como um refrigerador magnético ativo (AMR) utilizando o ciclo de Ericsson.

MÉTODOS:

Os sistemas magnéticos foram avaliados por meio das abordagens termodinâmica e estatística. Do ponto de vista termodinâmico, consideramos o modelo de Brillouin, calculando a parte magnética da entropia a partir da função de partição dos sistemas. No enfoque estatístico, desenvolvemos rotinas computacionais para o cálculo auto-consistente do magnetismo em função da temperatura e do campo magnético aplicado. Para o nosso propósito consideramos a análise dos sistemas por meio da equação de estado magnético de Brillouin, avaliando a interação de campo molecular (ou de troca). Para o cálculo da entropia total estimamos a contribuição dos elétrons de condução, a contribuição dos fônons da rede cristalina e a contribuição devido aos íons magnéticos. A variação isotérmica da entropia foi determinada pela diferença entre as curvas de entropia para diferentes campos magnéticos aplicados. Por outro lado, a variação adiabática da temperatura foi calculada pela diferença iso-entrópica entre as curvas. Finalmente, para as amostras estudadas foi modelado um refrigerador magnético ativo utilizando o modelo de Smaili-Chahine, para ser usado dentro do ciclo termodinâmico de Ericsson. O cálculo da eficiência do refrigerador foi estimado pelo coeficiente de capacidade de refrigeração RC.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Foram obtidas simulações computacionais da dependência da entropia total em função da temperatura e campo magnético aplicado, assim como a variação isotérmica da entropia e a variação adiabática da temperatura para os sistemas considerados. Os resultados teóricos foram comparados com resultados experimentais, reportados na literatura, e se verificou um bom acordo dos cálculos, principalmente, acima da temperatura de transição. Na região ordenada, entretanto, pôde-se constatar uma leve discrepância com os resultados experimentais, fato que pode ser associado à desconsideração nos cálculos de efeitos tais como magnetoelástico e de anisotropia magnética. A simulação obtida para o AMR foi feita tendo em vista a temperatura de transição e as proporções molares otimizadas dos compostos, uma vez que uma maior eficiência do ciclo de Ericsson é obtida quando a variação de entropia magnética é praticamente constante (table like region) durante todo o ciclo. O compósito estudado apresenta uma região com essas características que se estende, principalmente, na faixa de temperaturas de 295 a 38 K, exibindo uma média de 2,28 J/kg.K e uma capacidade de refrigeração de aproximadamente 585,96 J/kg para uma variação de campo magnético aplicado de 0 a 5T.

CONCLUSÕES:

Os resultados obtidos mostraram que a abordagem utilizada é apropriada para a simulação computacional da magnetização e da entropia magnética em função da temperatura e do campo magnético aplicado do Gd e dos compostos GdNi2, Gd5CoSi2 e GdM (M = Zn, Pd Ni). Esses resultados nos permitiram a avaliação do magnetismo e da variação da entropia magnética em sistemas magnéticos simples. Também, a simulação realizada para o compósito, proposto como refrigerador magnético ativo (AMR), mostrou uma boa eficiência térmica dentro do ciclo de Ericsson. O compósito, com proporções molares otimizadas, pode operar, principalmente, na faixa de temperaturas de 395 a 38 K (table like region) para uma variação de campo magnético aplicado de 0 até 5 T, com uma capacidade de refrigeração de aproximadamente 585,96 J/kg. Podemos ainda mencionar, tendo em vista a perspectiva da conservação do meio ambiente, que os compostos considerados para o desenvolvimento do compósito representam uma fonte limpa e renovável de geração de energia, uma vez que os materiais podem ser refundidos e utilizados para outros fins de aplicação.

Palavras-chave: Simulação Computacional, Entropia magnética, Magnetismo.