L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère depuis la révolution industrielle a conduit à l'augmentation de la température moyenne du globe. Pour limiter l’accroissement des températures atmosphériques moyennes, la quantité de dioxyde de carbone émise dans l'atmosphère doit être réduite. Une des solutions envisagée sur les sources fixes est le captage et le stockage du CO2. Ce procédé d’absorption/désorption, bien connu dans le traitement du gaz naturel, est onéreux et peu efficace pour le traitement du gaz des sources fixes et doit être optimisé. La solution proposée s’appuie sur l’utilisation de solvants démixants, présentant une séparation de phase équilibre liquide-liquide (LLE) en solution aqueuse en fonction de la température. Ce manuscrit présente une étude réalisée pour la famille des alkyl-pipéridines connues pour ses séparations de phase. Cette étude permettra d’évaluer l’influence de la taille, de la positionet du nombre de substituants sur les propriétés thermodynamiques d’intérêt pour le procédé. Pour étudier les LLE des solutions aqueuses démixantes, en particulier dans le cas des solutions chargées en gaz, deux instruments ont été mis au point. Il a été possible de démontrer que les changements opérés sur les diagrammes de phase des amines sont liés aux réactions chimiques mises en jeu lors de la dissolution du CO2. Pour les alkyl-pipéridines tertiaire on observe la température de démixtion diminue avec l’addition de CO2, allant avec la formation de carbonates. Avec les alkyl-pipéridines secondaires la température de démixtion augmente, ce qui est lié à la présence en solution de carbamates qui stabilisent la solution aqueuse. Le comportement des amines secondaires très encombrées, qui ne peuvent donc pas formées de carbamates, est similaire à celui des amines tertiaires, ce qui est cohérent avec les conclusions précédentes. Une étude approfondies des propriétés thermodynamiques d’excès (VE, CpE et HE) des alkyl-pipéridines en solution aqueuse a également permis de démontrer des relations structure - propriétés. La position du substituant sur le cycle pipéridine a une influence considérable et prévisible sur l’intensité des propriétés d’excès, alors que la nature de l’amine (secondaire ou tertiaire) va influencer la position de l’extremum de cette propriété. Enfin, une modélisation thermodynamique rigoureuses des solubilités et des enthalpies de dissolution du CO2 dans les solutions aqueuses de pipéridines a permis de déterminer les constantes de formation des carbamates dans les solutions aqueuses de 3- et 4-méthylpipéridines. / The increase of carbon dioxide (CO2) concentration in the atmosphere, since the industrial revolution has led to the rise in the average global climate temperature. To prevent the escalation of global climate temperatures the amount of CO2 emitted into the atmosphere must be reduced. One solution is carbon capture and sequestration which removes CO2 from fixed sources. The absorption/desorption cycle is well known for the treatment of acid gas, but is expensive and not as efficient for the treatment of gas from fixed/industrial sources. A solution to this problem is the use of aqueous demixing amine solvents which present a liquid-liquid phase equilibrium (LLE) as a function of temperature. This manuscript presents a study done to measure the LLE and thermodynamic properties of the alkyl piperidine family, which can be used for carbon capture processes. This work evaluates the effect of the size, position and number of alkyl substituents on the thermodynamic properties of interest in the carbon capture process. To study the LLE of aqueous demixing solutions, particularly gas loaded solutions, two novel apparatuses were developed. The results demonstrate that the changes in the amine phase diagrams are related to the chemical reactions involved with dissolution of CO2. The tertiary alkyl piperidines displayed reduced demixing temperature with the addition of CO2 due to the formation of carbonate species. The secondary alkyl piperidines display an increasing demixing temperature which is related to the formation of carbamate species which stabilizes the solution. Secondary alkyl piperidines that are severely sterically hindered, which cannot produce carbamates, behave similarly to the tertiary amine which is coherent with the preceding conclusion. The structure property relationship concerning the excess thermodynamic properties (VE, CpE et HE) of aqueous solutions were studied in depth. This revealed that the position of the substituents on the cyclic ring has a considerable and obvious influence on the intensity of the excess properties, along with the class of the amine, whether secondary or tertiary, will influence the positions of the extrema of the excess property. To conclude, a rigorous thermodynamic model based on the CO2 solubility and the enthalpy of solution for CO2 in aqueous solutions of alkyl piperidine, allowed for the determination of the carbamate formation constants of 3- and 4-methylpiperidine.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

Within the last decades low-dimensional frustrated quantum spin systems have attracted great interest in the field of modern research. In these systems a competition of various magnetic interactions takes place, leading to an energetically degenerated magnetic ground state, and thus to the occurrence of exotic, unconventional physical properties at low temperatures. This thesis focuses on the quasi one-dimensional frustrated spin chain system linarite, PbCuSO4(OH)2. In this compound the basic building blocks are CuO4 plaquettes which are connected to each other along one crystallographic direction, analogue to a chain. The frustration in linarite is established due to the competition between the magnetic interactions. The nearest-neighbor magnetic spins are coupled ferromagnetically along the chain via a coupling constant J1, while the next-nearest neighbors are coupled antiferromagnetically via a coupling constant J2. For this configuration it is not possible to satisfy all magnetic couplings simultaneously, hence the system is magnetically frustrated. In this work, comprehensive thermodynamic and nuclear magnetic resonance (NMR) studies demonstrate that linarite is one of the richest and most fascinating compounds in the class of low-dimensional frustrated magnets. By means of susceptibility, magnetization, specific heat, magnetocaloric effect, magnetostriction, and thermal-expansion measurements a rich magnetic phase diagram could be mapped out below a temperature of 2.8 K. The phase diagram contains five different magnetic regions/phases for an external magnetic field pointing along the chain direction. Based on the thermodynamic studies it was possible to calculate the exchange integrals within the frustrated J1-J2 model and extensions of it by using various theoretical approaches. The magnetic microscopic nature of the different long-range magnetic phases present in linarite were investigated by NMR measurements and by collaborative neutron scattering experiments. The ground state (phase I) is identified as an incommensurate elliptical helical structure. Via a theoretical modelling the 1H-NMR spectrum of the ground state could be explained, revealing a rearrangement of the zero-field structure in an external magnetic field of 2.0 T used for the NMR studies. By further increasing the external field the system undergoes a complex spin flop transition in two steps (phase I - phase III - phase IV). In phase III a phase separation takes place where one part of the spins form a circular spiral structure while the remaining fraction form a simple antiferromagnetic structure. In phase IV the remaining circular spiral structure vanishes, so that all spins collectively form the antiferromagnetic collinear phase. The most peculiar physical properties studied in this thesis take place in region V at high fields, showing only tiny features in the thermodynamic properties. The magnetic spins in region V form a sine-wave modulated spin-density structure as identified via NMR and neutron investigations. It is discussed whether region V is related to a multipolar phase or if the spin-density wave structure could possibly coexist with such a phase.

[pt] No presente trabalho foram realizadas medidas de capacidade térmica à pressão constante do espinélio Al2MnO4 na faixa entre 2 e 873 K. No intervalo entre 2 e 300 K empregou-se um calorímetro de relaxação térmica. Os dados evidenciaram a presença de uma anomalia em torno de 33 K, cuja componente magnética pôde ser constatada mediante medidas de capacidade calorífica com campo magnético constante, bem como também medidas de magnetização específica como função da temperatura. A contribuição entrópica associada à mencionada anomalia foi considerada no cálculo da entropia molar a 298.15 K do óxido em questão (116.05 mais ou menos 5.2 J/mol.K), valor este consistente com valores da literatura para outros espinélios. Na faixa entre 323 e 873 K empregou-se um calorímetro diferencial de varredura. Os dados foram ajustados quantitativamente com o modelo de Berman e Brown, incluindo-se no ajuste o valor de capacidade térmica a 298.15 K, obtido via calorimetria de relaxação térmica. Empregando-se o valor de entropia molar determinado no presente trabalho, os parâmetros do modelo de Berman e Brown estimados com os dados em temperaturas elevadas, e uma estimativa disponível na literatura para a entalpia de formação do óxido Al2MnO4, construiu-se um modelo para a dependência térmica da energia de Gibbs do referido composto válido na faixa entre 298.15 e 2114 K. O modelo foi testado com sucesso no acesso termodinâmico das propriedades do sistema Al2O3-MnO. / [en] In the present work the constant pressure molar heat capacity of the spinel Al2MnO4 was measured between 2 K and 873 K. In the interval between 2 K and 300 K a relaxation calorimeter was employed. The data indicated the presence of a thermal anomaly around 33 K, whose magnetic component could be evidenced through measurements of the heat capacity with a constant applied magnetic field, and also through specific magnetization data as a function of temperature. The entropic contribution of the thermal anomaly was considered in the calculation of the molar entropy of the oxide at 298.15 K (116.05 more or less 5.2 J/mol.K), and the calculated value has proven to be consistent with values published earlier for other spinel compounds. In the interval between 323 and 873 K a differential scanning calorimeter was employed. The data were quantitatively modeled with the function proposed by Berman and Brown, including the heat capacity value obtained at 298.15 K accessed through the relaxation calorimeter route. By using the molar entropy at 298.15 K, the values of the parameter estimated for the Berman and Brown model with the heat capacity data at elevated temperatures, and an estimative for the heat of formation of the spinel Al2MnO4 extracted from the literature, it was possible to construct a model for the thermal dependence of the Gibbs energy of this compound valid between 298.15 K and 2114 K. The model was successfully tested in the thermodynamic assessment of the properties of the system Al2O3-MnO.

Cílem diplomové práce je vytvoření 2D numerického modelu pohybujícího se řezu s proměnnými okrajovými podmínkami skutečné geometrie plynulého odlévání a chlazení předlitku v prostředí MATLAB. Model se zabývá vysoce nelineárními termofyzikálními podmínkami oceli během tuhnutí a chlazení. V práci je simulovaná nejen nelinearita termofyzikálních podmínek, ale také nelinearita při fázové změně. Fázová změna je modelovaná pomocí metody entalpie, metody zdánlivé kapacity a metody teplotního zotavení. Všechny výsledky práce jsou porovnány z více hledisek, jako např. z hlediska přesnosti, rychlosti výpočtu, nebo vhodnosti časového diskretizačního kroku pro nelineární problémy, a paralelizace.

Within the last decades low-dimensional frustrated quantum spin systems have attracted great interest in the field of modern research. In these systems a competition of various magnetic interactions takes place, leading to an energetically degenerated magnetic ground state, and thus to the occurrence of exotic, unconventional physical properties at low temperatures. This thesis focuses on the quasi one-dimensional frustrated spin chain system linarite, PbCuSO4(OH)2. In this compound the basic building blocks are CuO4 plaquettes which are connected to each other along one crystallographic direction, analogue to a chain. The frustration in linarite is established due to the competition between the magnetic interactions. The nearest-neighbor magnetic spins are coupled ferromagnetically along the chain via a coupling constant J1, while the next-nearest neighbors are coupled antiferromagnetically via a coupling constant J2. For this configuration it is not possible to satisfy all magnetic couplings simultaneously, hence the system is magnetically frustrated. In this work, comprehensive thermodynamic and nuclear magnetic resonance (NMR) studies demonstrate that linarite is one of the richest and most fascinating compounds in the class of low-dimensional frustrated magnets. By means of susceptibility, magnetization, specific heat, magnetocaloric effect, magnetostriction, and thermal-expansion measurements a rich magnetic phase diagram could be mapped out below a temperature of 2.8 K. The phase diagram contains five different magnetic regions/phases for an external magnetic field pointing along the chain direction. Based on the thermodynamic studies it was possible to calculate the exchange integrals within the frustrated J1-J2 model and extensions of it by using various theoretical approaches. The magnetic microscopic nature of the different long-range magnetic phases present in linarite were investigated by NMR measurements and by collaborative neutron scattering experiments. The ground state (phase I) is identified as an incommensurate elliptical helical structure. Via a theoretical modelling the 1H-NMR spectrum of the ground state could be explained, revealing a rearrangement of the zero-field structure in an external magnetic field of 2.0 T used for the NMR studies. By further increasing the external field the system undergoes a complex spin flop transition in two steps (phase I - phase III - phase IV). In phase III a phase separation takes place where one part of the spins form a circular spiral structure while the remaining fraction form a simple antiferromagnetic structure. In phase IV the remaining circular spiral structure vanishes, so that all spins collectively form the antiferromagnetic collinear phase. The most peculiar physical properties studied in this thesis take place in region V at high fields, showing only tiny features in the thermodynamic properties. The magnetic spins in region V form a sine-wave modulated spin-density structure as identified via NMR and neutron investigations. It is discussed whether region V is related to a multipolar phase or if the spin-density wave structure could possibly coexist with such a phase.

The aim of this work was to improve the heat capacity estimation of a material for usage within a CALPHAD-type assessment. An algorithm is derived that estimates the trend of heat capacity with temperature based on zero Kelvin properties and the thermal expansion coefficient at the Debye temperature. The algorithm predicts not only the trend of heat capacity but also the temperature trend of the volume and the bulk modulus, which can be also included in new thermodynamic databases. The algorithm is used to assess thermophysical properties of the intermetallic phases eta (Fe2Al5), epsilon~(Fe5Al8) and tau4 (FeAl3Si2). The heat capacity of the intermetallic phases zeta, eta, theta and epsilon of the Al-Fe system and of tau4 of the Al-Fe-Si system was measured using DSC. For the phases zeta, eta, and theta, a non-linearly increasing heat capacity approaching the melting temperature was observed. In addition, the heat capacity of three bcc-based Al-Fe samples including the B2-->A2 transition were determined. The Al-rich section of the Al-Fe phase diagram was studied using DTA and quenching experiments. The homogeneity ranges of the intermetallic phases were determined using SEM/WDS measurements. Based on own and literature values, a thermodynamic description of the Al-Fe system was assessed including the modelling of A2/B2 ordering and the homogeneity range of all intermetallic phases. In addition, thermodynamic parameters of the Al-Fe-Si, Al-Fe-Mg, and the Fe-Mg-Si system were assessed to obtain a thermodynamic description of the Al-rich side of the Al-Fe-Si-Mg system, which can be used to study phase transitions of typical A356-aluminium alloys.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

Much study has been carried out to determine the properties of Lamellar Graphite Iron (LGI) or grey iron and their relations to factors such as the cooling rate, the dendrite morphology, the pouring temperature, and so on. However, there hasn’t been much comprehensive study on the properties of LGI outside the generally used and accepted composition, with 1 to 3% Silicon. The scope of this study is to measure and evaluate the thermal conductivity and tensile strength of LGI, for a higher concentration of  Si and different carbon contents. The concentration of Si aimed for was 4% but the concentration obtained after spectroscopy was between 4.1% to 4.15%. There are two hypereutectic, one near-eutectic and three hypoeutectic samples considered and these six chemical compositions were cast under different cooling conditions . The cooling time has been varied by providing different molds of 30mm, 55mm, and 80mm diameter cylinders respectively, for all the six sample compositions. The microstructure analysis carried out studies the segregation of Si, the graphite morphology, primary austenite morphology. These factors are then compared to the thermal and tensile behavior measured in this study. It can be observed that the thermal conductivity studied in the present work has a direct correlation for a higher Si content and tends to be greater than the thermal conductivity values observed from other studies with lower content Of Si. However, the conductivity shows an inverse relation with the cooling rate and is maximum for the samples with the lowest cooling rate. The tensile strength, on the other hand, seems to have a lower value than that observed in previous studies for LGI with 1 to 3% Si, but shows a direct correlation with the cooling rate. The mean area fraction of dendrites obtained and the mean interdendritic hydraulic diameter is also measured and their influence on the properties are also studied. The addition of more Si has greatly favored the thermal behavior positively but has also reduced the tensile strength.

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