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Termodinâmica e Termodinâmica Química Apostila para o ENADE 2017 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Lei Zero da Termodinâmica .................................................. 5 Figura 2: Universo é conjunto de sistema e vizinhanças ................... 6 Figura 3: Classificação de sistemas .................................................... 6 Figura 4: Máquina térmica .................................................................. 12 Figura 5: Ciclo de Carnot .................................................................... 14 Figura 6: Fator de compressibilidade obtido do princípio dos estados correspondentes de dois parâmetros: z é uma função universal de pr e de Tr. ..................................................................................................................... 18 Figura 7: Esquema do cálculo de entalpia de reação a partir das entalpias de formação padrão ....................................................................... 20 Figura 8: Esquema ilustrativo da lei de Kirchhoff............................. 22 Figura 9: Diagrama p - v - T de substancias que se contraem ao solidificar ........................................................................................................ 27 Figura 10: Diagrama p - v - T de substancias que se expandem ao solidificar ........................................................................................................ 28 Figura 11: Superfície de potencial químico. a fase mais estável é a que tiver menor potencial químico ............................................................... 29 Figura 12: Diagrama de fases p – T .................................................... 29 Figura 13: Diagramas p - v e T – s ...................................................... 30 Figura 14: Diagramas p - v e T – v ...................................................... 30 Figura 15: Diagramas termodinâmicos que envolvem entropia ...... 31 Figura 16: Diagrama p - h de uma substancia pura .......................... 31 SUMÁRIO 1. TEMPERATURA E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA .............. 5 2. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA .......................................... 5 2.1. Conceitos de Sistema e Vizinhança ..................................... 5 2.2. Conceitos de Processo e Ciclo ............................................. 7 2.3. A 1ª Lei da Termodinâmica ................................................... 7 2.4. Equação do Trabalho ............................................................. 8 2.5. Processo Reversível e Irreversível ....................................... 9 2.6. Capacidades Caloríficas ........................................................ 9 2.7. Calor Sensível e Calor Latente ............................................ 10 3. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ....................................... 11 3.1. Máquinas Térmicas .............................................................. 11 3.2. A Segunda Lei da Termodinâmica: Enunciado de Kelvin- Planck 12 3.3. A Segunda Lei da Termodinâmica: enunciado de Clausius 12 3.4. Entropia, S ............................................................................ 12 3.4.1. Processo de transferência de calor isotérmico e internamente reversível .......................................................................... 13 3.4.2. O Princípio do Aumento da Entropia .............................. 13 3.5. O Ciclo de Carnot ................................................................. 14 4. EQUAÇÕES DE ESTADOS DO TIPO VIRIAL ............................. 15 4.1. Constante universal dos gases e o fator de compressibilidade ...................................................................................... 15 4.2. Gás ideal ............................................................................... 15 4.3. Relações de propriedades para um gás ideal ................... 16 4.4. Equação de van der Waals .................................................. 17 4.5. Princípio dos Estados Correspondentes ........................... 17 5. ESTADO PADRÃO ...................................................................... 19 5.1. Temperatura teórica de chama ........................................... 19 5.2. Entalpias de Reação em termos das Entalpias de Formação Padrão 20 5.3. Lei de Kirchhoff .................................................................... 21 6. EQUILÍBRIO DE FASES .............................................................. 23 6.1. Energia Livre de Gibbs ........................................................ 23 6.2. Potencial Químico ................................................................ 23 6.3. Coeficiente de Joule-Thompson ......................................... 24 6.4. Fugacidade ........................................................................... 24 7. DIAGRAMAS DE FASE ............................................................... 25 7.1. Definições ............................................................................. 25 7.2. Superfície p – v – T .............................................................. 27 7.3. Diagrama p – T ..................................................................... 28 7.4. Diagramas Termodinâmicos ............................................... 30 8. QUESTÕES DO ENADE .............................................................. 32 8.1. Ano de 2005 .......................................................................... 32 8.2. Ano de 2008 .......................................................................... 34 8.3. Ano de 2011 .......................................................................... 36 8.4. Ano de 2014 .......................................................................... 41 8.5. Gabaritos .............................................................................. 42 INTRODUÇÃO A termodinâmica estuda as transformações de energia. Energia: Capacidade de causar alterações Termodinâmica clássica: abordagem macroscópica, não exige conhecimento do comportamento das partículas individuais. Termodinâmica estatística: abordagem mais elaborada, com base no comportamento das partículas individuais. 1. TEMPERATURA E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA A temperatura está relacionada com a ideia de equilíbrio térmico, no equilíbrio térmico há a igualdade de temperatura entre os corpos. A Lei Zero da Termodinâmica declara que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles também estão em equilíbrio térmico entre si. Dois corpos estão em equilíbrio térmico se ambos tiverem a mesma leitura de temperatura, mesmo que não estejam em contato, a Figura 1 exemplifica a Lei Zero da Termodinâmica. Figura 1: Lei Zero da Termodinâmica Fonte: autoria própria 2. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 2.1. Conceitos de Sistema e Vizinhança Sistema: é uma quantidade de matéria ou região no espaço selecionada para estudo. Vizinhança: a massa ou região fora do sistema. Universo: união do sistema com a vizinhança. Fronteira é uma superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança, podendo ser fixa ou móvel. Os conceitos de vizinhança e sistema estão ilustrados na Figura 2. Figura 2: Universo é conjunto de sistema e vizinhanças Fonte: autoria própria Sistema fechado: consiste em uma quantidade fixa de massa sendo que nenhuma massa pode atravessar a fronteira, a energia na forma de calor ou de trabalho, entretanto, podem cruzar a fronteira. Sistema isolado: nem massa ou energia podem cruzar a fronteira, portanto o trabalho é nulo, porém pode haver intercâmbio entre as energias internas, mas dentro do sistema, sem trocas com os arredores. Sistema aberto ou volume de controle: temos que a região selecionada no espaço permite a passagem de massa e energia pela fronteira. As fronteiras de um volume de controlesão chamadas de superfície de controle e podem ser fixas ou móveis, reais ou imaginárias. Os conceitos de sistemas estão ilustrados na Figura 3. Figura 3: Classificação de sistemas Fonte: goo.gl/WA8BVGcontent_copy 2.2. Conceitos de Processo e Ciclo Toda mudança pela qual um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro é chamado de processo ou transformação, e a série de estados através dos quais um sistema passa durante um processo é chamado de percurso do processo. Quando um processo se desenvolve de forma que o sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio em todos os momentos, ele é chamado de processo quase estático ou processo de quase equilíbrio (Processo ideal). Diz-se que um sistema executou um ciclo quando ele retorna ao estado inicial no final do processo, ou seja, os estados inicial e final são idênticos. Funções de estado são propriedades termodinâmicas intensivas com valores determinados, essas propriedades não dependem da história passada da substância, nem dos meios pelos quais ela atinge um dado estado. Equações de Estado é uma relação matemática entre as grandezas termodinâmicas de estado, entre funções de estado de um sistema termodinâmico; é uma equação termodinâmica descrevendo o estado da matéria sob em dado conjunto de condições físicas (T, P, V, U, E). 2.3. A 1ª Lei da Termodinâmica A 1ª lei da Termodinâmica, também chamada de “Lei da conservação de energia” define os conceitos de calor, trabalho e energia. Se aplica ao sistema e a vizinhança. Embora a energia asuma várias formas, a quantidade total de energia é constante e, quando energia em uma forma desaparece, ela reaparece simultaneamente em outras formas. Calor, Q: transferência de energia que utiliza diferenças no movimento desorganizado entre o sistema e as vizinhanças. Trabalho, W: transferência de energia que utiliza o movimento organizado. Assim a energia de um sistema pode ser aumentada efetuando um trabalho no sistema e/ou fornecendo calor ao sistema. A energia total de um sistema, E, é a soma das energias cinética, EC, potencial, EP, e interna, U. Energia Interna: soma das energias correspondentes aos movimentos da molécula (translacionais, rotacionais e vibracionais) pertencentes ao sistema e é uma característica do sistema, sou seja uma propriedade de estado. Calor e trabalho são formas equivalentes de alterar a energia de um sistema, só se definem quando há uma transformação. Assim, as variações de energia interna do sistema resultam apenas do calor e do trabalho trocados com as vizinhanças. Portanto: 𝐸𝑡𝑜𝑡 = 𝐸𝑒𝑥𝑡 + 𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 + 𝑈 ∆𝐸𝐶 + ∆𝐸𝑃 + ∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 Para sistemas fechados macroscopicamente em repouso (∆EC = 0) e sem alterações das suas posições no campo gravitacional (∆EP = 0), a 1ª lei se reduz a: ∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 ou para uma variação infinitesimal por unidade de massa: 𝑑𝑢 = 𝑑𝑞 + 𝑑𝑤 Como U representa uma propriedade do sistema é representada por uma diferencial exata, diferente do calor e do trabalho que por dependerem do percurso possuem diferenciais inexatas. 2.4. Equação do Trabalho Quando um gás sofre expansão há trabalho realizado, a força exercida no gás pelo pistão de área A é: 𝑝 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 Á𝑟𝑒𝑎 então 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 = 𝑝𝑒𝑥𝑡 ∗ 𝐴 Ao expandir-se, o gás provoca um deslocamento infinitesimal do pistão, dx, e, por isso, realiza trabalho. Como os sentidos da força e do deslocamento são opostos, o trabalho efetuado pelo gás é: 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 ∗ 𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 então 𝑑𝑊 = (−𝑝𝑒𝑥𝑡 ∗ 𝐴)𝑑𝑥 = −𝑝𝑒𝑥𝑡𝑑𝑉 pois dV = Adx é o volume varrido pelo deslocamento do pistão. Assim, o trabalho de expansão devido a uma variação de volume é expresso por 𝑑𝑊 = −𝑝𝑒𝑥𝑡𝑑𝑉 onde W é o trabalho efetuado quando o sistema se expande de dV contra a pressão exterior constante, pext. Na expansão dW<0, o sistema efetua trabalho e a energia interna diminui, já se o sistema recebe trabalho dW>0, então a energia interna aumenta. Na expansão livre, ou seja, contra o vácuo, pext = 0, e por isso W = 0. Num processo reversível, pext = pint – dp, sendo que dp é aproximadamente 0. 2.5. Processo Reversível e Irreversível Um processo é reversível quando o seu sentido pode ser revertido em qualquer ponto por uma variação infinitesimal nas condições externas. Todos os processos executados com substancias reais em intervalos de tempo finitos são acompanhados, com alguma intensidade, por efeitos dissipativos de um tipo ou de outro, e todos são, consequentemente, irreversíveis. Os fatores que tornam um processo irreversível são: atrito, expansão não- resistida; mistura de dois fluidos; transferência de calor com uma diferença de temperatura finita; deformação plástica; resistência elétrica. 2.6. Capacidades Caloríficas Quando transferimos energia sob a forma de calor para um sistema, há mudança do seu estado que se pode traduzir por um aumento de temperatura, assim 𝑑𝑄 = 𝐶𝑑𝑇 Onde C é a capacidade calorífica. Sabendo C, podemos calcular a energia fornecida como calor, controlando o aumento de temperatura que essa transferência provoca. A capacidade calorífica depende das condições. Para um sistema a volume constante e que não possa efetuar qualquer tipo de trabalho, qualquer tipo de trabalho, a quantidade de calor necessária para alterar a temperatura do sistema de dT é CVdT: 𝐶𝑉 = ( 𝑑𝑄 𝑑𝑇 ) 𝑉 = ( 𝑑𝑈 𝑑𝑇 ) 𝑉 Como a energia interna, e a entalpia de um gás perfeito só depende da temperatura, a variação da energia interna é dada em qualquer tipo de processo. Se o sistema estiver sujeito a pressão constante a quantidade de calor necessária para provocar a mesa alteração de temperatura dT é CPdT. CP também está relacionado com uma função termodinâmica, a entalpia, H, definida por H = U +pV, sendo também uma função de estado. 𝐶𝑃 = ( 𝑑𝑄 𝑑𝑇 ) 𝑃 = ( 𝑑𝐻 𝑑𝑇 ) 𝑃 Para gases perfeitos as capacidades caloríficas dependem da temperatura apenas, mas elas só podem ser consideradas constantes se o intervalo de temperaturas for pequeno. A dependência de CP com a temperatura é normalmente representada por uma equação do tipo 𝐶𝑃 = 𝑛 ∗ 𝐶𝑃 = (𝑎 + 𝑏 ∗ 𝑇 + 𝑐 𝑇2 + 𝑑𝑇2) onde a, b, c, d são constantes para alguns sólidos, líquidos e gases. Para sólidos e líquidos, ∆H ≈ ∆U. Para gases perfeitos, CP – CV = nR. 2.7. Calor Sensível e Calor Latente Quando uma substancia é aquecida sem que ocorra mudança de fase, a sua temperatura aumenta devida à transferência de calor. Este aumento de calor é designado por calor sensível. 𝑄 = 𝑛 ∗ 𝑐𝑃 ∗ ∆𝑇 O calor latente é a entalpia de mudança de estado: 𝑄 = 𝑛 ∗ ∆𝑣𝑎𝑝𝐻𝑚 3. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Um reservatório que fornece energia na forma de calor é chamado de fonte e um reservatório que recebe energia na forma de calor é chamado de sumidouro. Os reservatórios de energia térmica são chamados de reservatórios térmicos, todo corpo cuja capacidade de energia térmica seja grande com relação à quantidade de energia que ele fornece ou remove pode ser modelado com um reservatório. 3.1. Máquinas Térmicas Conversão de calor em trabalho (processo não natural). As máquinas térmicas (Figura 4) recebem calor de uma fonte a alta temperatura, convertem parte desse calor em trabalho, rejeitam o restante de calor para um sumidouro à baixa temperatura e operam em ciclos. As interações de calor e trabalho são indicadas pelos subscritos int e sai, assim as grandezas são sempre positivas. Como operam em ciclos ∆U = 0. 𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 = 𝑊𝑠𝑎𝑖 − 𝑊𝑒𝑛𝑡 𝑄𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 = 𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡 Apenas parte do calor transferido para a máquina térmica é convertido em trabalho. A geração do calor convertido em trabalho líquido é uma medida do desempenhode uma máquina térmica, chamada de eficiência térmica, ɳT. ɳ𝑇 = 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑡𝑢𝑎𝑑𝑜 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 ou ɳ𝑇 = 1 − 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 onde Qent = Qq = Qh: magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a alta temperatura (Tq = Th). Qsai = Qf = Ql: magnitude do calor transferido entre o dispositivo cíclico e o meio a alta temperatura (Tf = Tl). Figura 4: Máquina térmica Fonte: autoria própria 3.2. A Segunda Lei da Termodinâmica: Enunciado de Kelvin-Planck É impossível para qualquer dispositivo que opera em um ciclo receber calor de um único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho. Nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência térmica de 100%. 3.3. A Segunda Lei da Termodinâmica: enunciado de Clausius É impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta. 3.4. Entropia, S 𝑑𝑆 = ( 𝛿𝑄 𝑇 ) 𝑖𝑛𝑡,𝑟𝑒𝑣 Sendo que S [kJK]. A integral de 𝛿Q/T nos fornece o valor da variação da entropia apenas quando a integração é realizada ao longo de uma trajetória internamente reversível entre os dois estados. 3.4.1. Processo de transferência de calor isotérmico e internamente reversível ∆𝑆 = 𝑄 𝑇𝑣𝑖𝑧 A perda de calor é a única forma pela qual a entropia de um sistema pode ser reduzida. 3.4.2. O Princípio do Aumento da Entropia 𝑑𝑆 ≥ 𝑑𝑄 𝑇 Para processos internamente reversíveis vale a igualdade. Para processos irreversíveis vale a desigualdade. A entropia é gerada ou criada durante um processo irreversível e essa reação deve-se totalmente à presença de irreversibilidades. A geração da entropia é sempre uma quantidade positiva ou nula. A entropia gerada, Sger, depende do processo. A entropia de um sistema isolado durante um processo sempre aumenta ou, no caso limite de um processo reversível, permanece constante, ou seja, ela nunca diminui. Na ausência de transferência de calor, a variação de entropia se deve apenas as irreversibilidades, e seu efeito é sempre o aumento da entropia. A variação da entropia de um sistema pode ser negativa durante um processo, mas a geração de entropia não pode. A entropia é uma propriedade que não se conserva. 𝑆𝑔𝑒𝑟 = ∆𝑆𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 + ∆𝑆𝑣𝑖𝑧 ≥ 0 Sger > 0: processo irreversível Sger = 0: processo reversível Sger <0: processo impossível 3.5. O Ciclo de Carnot É composto por 4 processos reversíveis: dois isotérmicos e dois adiabáticos e pode ser executado por um sistema fechado ou por um sistema em regime permanente como ilustrado na Figura 5. Figura 5: Ciclo de Carnot Fonte: goo.gl/mh9rejcontent_copy Nas etapas isotérmicas: ∆U = 0 Q = -W (1→2) |𝑄𝑞| = n ∗ R ∗ T ∗ ln 𝑣2 𝑣1 (3→4) |𝑄𝑓| = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ ln 𝑣3 𝑣4 |𝑄𝑞| |𝑄𝑓| = 𝑇𝑞 ∗ ln(𝑣2 𝑣1)⁄ 𝑇𝑓 ∗ ln(𝑣3 𝑣4)⁄ Nas etapas adiabáticas: ∆U = W Q = 0 (2→3) 1 𝑅 ∫ 𝐶𝑉 𝑑𝑇 𝑇 𝑇𝑞 𝑇𝑓 = ln 𝑣2 𝑣3 (4→1) 1 𝑅 ∫ 𝐶𝑉 𝑑𝑇 𝑇 𝑇𝑞 𝑇𝑓 = ln 𝑣1 𝑣4 |𝑄𝑞| |𝑄𝑓| = 𝑇𝑞 𝑇𝑓 Ou seja, a eficiência da máquina térmica independe da substância. 𝜂𝑇 = 1 − 𝑄𝑓 𝑄𝑞 𝜂𝑇,𝑟𝑒𝑣 = 1 − 𝑇𝑓 𝑇𝑞 ηT < ηT,rev: máquina térmica irreversível ηT = ηT,rev: máquina térmica reversível ηT > ηT,rev: máquina térmica impossível 4. EQUAÇÕES DE ESTADOS DO TIPO VIRIAL 4.1. Constante universal dos gases e o fator de compressibilidade O limite de PV quando P→0 é o mesmo para todos os fases, desse modo: (PV)* = a = f(T). No limite, quando P→0 as moléculas estão separadas por uma distância infinita, o volume das moléculas torna-se desprezível em face do volume total do gás e as forças intermoleculares se aproximam de zero. Essas condições definem um estado de gás ideal sendo R a constante universal dos gases. O fator de compressibilidade é uma propriedade termodinâmica auxiliar definida como: 𝑍 ≡ 𝑃 ∗ 𝑉 𝑅 ∗ 𝑇 Z = 1 +B’P + C’P² + C’P³ + ... ou Z = 1 + BV-1 + CV-2 + DV-3 + ... Os parâmetros B’, C’, D’, etc. e B, C, D, etc., são chamados de coeficientes do tipo virial. Os parâmetros B’ e B são os segundos coeficientes do tipo virial; C’ e C são os terceiros coeficientes do tipo virial; etc. 𝐵′ = 𝐵 𝑅 ∗ 𝑇 𝐶′ = 𝐶 − 𝐵² (𝑅 ∗ 𝑇)² 𝐷′ = 𝐷 − (3 ∗ 𝐵 ∗ 𝐶) + (2 ∗ 𝐵3) (𝑅 ∗ 𝑇)³ 4.2. Gás ideal Como os termos B/V, C/V², da expansão virial aparecem em função das interações moleculares, os coeficientes do tipo virial B, c, etc. deveriam ser nulos onde tais interações não existem e a expansão do tipo virial se reduziria a: Z = 1 e PV = RT (Equação de estado) Na ausência de interações moleculares, a energia interna de um gás depende somente da temperatura, U = U(T). 4.3. Relações de propriedades para um gás ideal CV é uma função somente da temperatura 𝐶𝑉 ≡ ( 𝜕𝑄 𝜕𝑇 ) 𝑉 = 𝑑𝑈(𝑇) 𝑑𝑇 = 𝐶𝑉(𝑇) H é uma função somente da temperatura. 𝐻 ≡ 𝑈 + (𝑃 ∗ 𝑉) = 𝑈(𝑇) + (𝑅 ∗ 𝑇) = 𝐻(𝑇) CP é uma função somente da temperatura. 𝐶𝑃 ≡ ( 𝜕𝐻 𝜕𝑇 ) 𝑃 = 𝑑𝐻(𝑇) 𝑑𝑇 = 𝐶𝑃(𝑇) Relação entre CP e CV para um gás ideal: 𝐶𝑃 = 𝑑𝐻 𝑑𝑇 = 𝑑𝑈 𝑑𝑇 + 𝑅 = 𝐶𝑉 + 𝑅 CP e CV variam com a temperatura de tal forma que seu diferencial é igual a R. Para qualquer mudança de estado de um gás ideal: 𝑑𝑈 = 𝐶𝑉𝑑𝑇 𝑑𝐻 = 𝐶𝑃𝑑𝑇 ∆𝑈 = ∫ 𝐶𝑉𝑑𝑇 ∆𝐻 = ∫ 𝐶𝑃𝑑𝑇 Equações para cálculo de processos envolvendo gases ideais Para um processo mecanicamente reversível em um sistema fechado, pela 1º lei da termodinâmica: 𝑑𝑄 = 𝐶𝑉 𝑅 𝑉𝑑𝑃 + 𝐶𝑃 𝑅 𝑃𝑑𝑉 Processo isotérmico (δ = 1) ∆U = ∆H = 0 𝑄 = −𝑊 = 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ ln 𝑣2 𝑣1 = −𝑅 ∗ 𝑇 ∗ ln 𝑃2 𝑃1 Processo isobárico (δ = 0) ∆𝑈 = ∫ 𝐶𝑉𝑑𝑇 ∆𝐻 = ∫ 𝐶𝑃𝑑𝑇 𝑊 = −𝑅(𝑇2 − 𝑇1) Processo isocórico (δ = ±∞) 𝑄 = ∆𝑈 = ∫ 𝐶𝑉𝑑𝑇 ∆𝐻 = ∫ 𝐶𝑃𝑑𝑇 𝑊 = 𝑂 Processo adiabático (δ = γ) 𝛾 ≡ 𝐶𝑃 𝐶𝑉 = 1 + 𝑅 𝐶𝑉 𝑇𝑉𝛾−1 = 𝑐𝑡𝑒 𝑇𝑃1−𝛾/𝛾 = 𝑐𝑡𝑒 𝑃𝑉𝛾 = 𝑐𝑡𝑒 Processo poliprótico 𝑊 = 𝑅∗𝑇1 𝛿−1 [( 𝑃2 𝑃1 ) 𝛿−1 𝛿 − 1] 𝑄 = (𝛿 − 𝛾) ∗ 𝑅 ∗ 𝑇1 (𝛿 − 1) ∗ (𝛾 − 1) [( 𝑃2 𝑃1 ) 𝛿−1 𝛿 − 1] 𝑇𝑉𝛿−1 = 𝑐𝑡𝑒 𝑇𝑃1−𝛿/𝛿 = 𝑐𝑡𝑒 𝑃𝑉𝛿 = 𝑐𝑡𝑒 4.4. Equação de van der Waals Para todos os gases a pressões elevadas, z>1 o que significa que o gás é menos compressível que um gás perfeito, o que é uma consequência da ação das forças repulsivas intermoleculares. Porém para pressões intermédias, a maior parte dos gases tem fator compressibilidade menor que 1, o que indica que o gás é mais compressível que um gás perfeito, o que é o resultado das forças atrativas que existem entre as moléculas do gás. A equação de van der Waals é uma equação mais complexa que considera as interações moleculares. Assim a equação proposta com van der Waals para um gás real é: 𝑝 = 𝑛𝑅𝑇 𝑉 − 𝑛𝑏 − 𝑛²𝑎 𝑉² Para um mol 𝑝 = 𝑅𝑇 𝑉𝑚 − 𝑏 − 𝑎 𝑉𝑚² 4.5. Princípio dos Estados Correspondentes 𝑝𝑐 = 𝑎 27𝑏² 𝑇𝑐 = 𝑎 27𝑏² 𝑝𝑐 = 𝑎 27𝑏² Usam-se as constantes críticas, que são propriedades características de cada gás, na definição de grandezas reduzidas. A pressão reduzida, pr, a temperatura reduzida Tr, e o volume reduzido, Vr, de um fluido no estado p, V, T são definidos como 𝑝𝑟 = 𝑝 𝑝𝑐 𝑇𝑟 = 𝑇 𝑇𝑐 𝑉𝑚 = 𝑉𝑚 𝑉𝑚,𝑐 Assim a equação de van der Waals fica: 𝑝𝑟 = 8𝑇𝑟 3𝑉𝑟 − 1 − 3 𝑉𝑟2 A equação acima é genérica, pois não aparecem as constantes a e b, características de cada fluido. Isto significa que dois gases que tenham o mesmo volume reduzido e a mesma pressão reduzida estão à mesma temperatura reduzida, e este é o Princípio dos Estados Correspondentes. Gases reais simples, nestas condições tem, porisso, o mesmo fator do fator de compressibilidade z e desciam-se igualmente do comportamento de gás perfeito. Figura 6: Fator de compressibilidade obtido do princípio dos estados correspondentes de dois parâmetros: z é uma função universal de pr e de Tr. Fonte: livro 5. ESTADO PADRÃO Em determinado estado, todas as propriedades de um sistema têm valores fixos. O estado é especificado ou descrito pelas propriedades. Regra de fases: número de propriedades independentes para um sistema: 𝐹 = 2 − 𝜋 + 𝑁 Onde: F = grau de liberdade; π = número de fases; N = número de espécies químicas. Duas propriedades são independentes se uma propriedade puder ser variada enquanto a outra permanece constante. Equilíbrio: condição estática-ausência de mudanças; condição na qual o estado não muda com o tempo nem apresenta tendência a uma mudança espontânea; não há força motriz resultante que implique uma mudança. 5.1. Temperatura teórica de chama As entalpias de formação padrão são muitas vezes determinadas a partir de reações de combustão. Para determinar a entalpia de combustão padrão de um reagente basta saber as entalpias de formação padrão dos produtos. A temperatura que pode ser atingida na combustão completa de um gás com a correspondente quantidade estequiométrica de ar designa-se por temperatura teórica da chama, é a temperatura máxima que é possível atingir. A capacidade calorífica média, 𝐶̅p, entre as temperaturas Ti e Tf. é dada por: 𝐶�̅� = 𝐻𝑓−𝐻𝑖 𝑇𝑓−𝑇𝑖 = ∆𝐻 𝑇𝑓−𝑇𝑖 = 𝑄𝑝 𝑇𝑓−𝑇𝑖 = ∫ 𝐶𝑝𝑑𝑇 𝑇𝑓 𝑇𝑖 𝑇𝑓−𝑇𝑖 Uma vez que a dependência da capacidade calorífica molar cp com a temperatura é normalmente expressa sob a forma: c𝑝,𝑖 = 𝑎𝑖 + b𝑖𝑇 + c𝑖 𝑇² + 𝑑𝑖𝑇² Onde as constantes a, b, c e d são característica de cada um dos m componente, resulta da definição de 𝐶̅p, 𝐶�̅� = ∑ 𝑛𝑖𝑐�̅�,𝑖 𝑚 𝑖=1 𝐶�̅� = ∑ 𝑛𝑖𝑎𝑖 𝑚 𝑖=1 + ∑ 𝑛𝑖𝑏𝑖 𝑚 𝑖=1 𝑇𝑖 + 𝑇𝑓 2 + ∑ 𝑛𝑖𝑐𝑖 𝑚 𝑖=1 𝑇𝑖𝑇𝑓 + ∑ 𝑛𝑖𝑑𝑖 𝑚 𝑖=1 3 [(𝑇𝑖 + 𝑇𝑓) 2 − 𝑇𝑖𝑇𝑓] Onde ni é o número de moles do componente i. Assim, a 1 bar, a variação de entalpia (que também é o calor envolvido num processo a pressão constante) na passagem de Ti para Tf é dada por: ∆𝐻∅ = 𝑄𝑝 = ∫ 𝐶�̅�𝑑𝑇 𝑇𝑓 𝑇𝑖 = 𝐶�̅�(𝑇𝑓−𝑇𝑖) 5.2. Entalpias de Reação em termos das Entalpias de Formação Padrão Sabendo as entalpias de formação padrão dos componentes intervenientes numa reação química, obtemos a entalpia de reação. Para a reação genérica à temperatura T, 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 ⇄ 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 Pode-se construir o esquema apresentado na Figura 6. Figura 7: Esquema do cálculo de entalpia de reação a partir das entalpias de formação padrão Fonte: autoria própria Como a entalpia é uma função de estado, é independente do caminho (depende só dos estados inicial e final). Se a reação for efetuada à pressão constante pØ = 1 bar, ∆𝑟𝐻(1) = ∆𝑟𝐻 ∅ = ∆𝑟𝐻(2) + ∆𝑟𝐻(3) De forma genérica ∆𝑟𝐻 ∅ = ∑ 𝑣𝑖∆𝑓 𝑖 𝐻𝑚 ∅ (𝑖) = 𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐻𝑒𝑠𝑠 Onde vi é o coeficiente estequiométrico do componente i (vi é positivo para os produtos e negativo para os reagentes) e ∆𝑓𝐻𝑚 ∅ (𝑖) é a entalpia molar de formação padrão do componente i. 5.3. Lei de Kirchhoff Aquecendo, a pressão constante, uma substância cuja capacidade calorífica é Cp de Ti para Tf, a sua entalpia varia de ∫ 𝑑𝐻 𝑇𝑓 𝑇𝑖 = 𝐻(𝑇𝑓) − 𝐻( 𝑇𝑖) = ∫ 𝐶𝑝𝑑𝑇 𝑇𝑓 𝑇𝑖 Nesta integração admitimos que, no intervalo de temperaturas considerado, não houve quaisquer mudanças de fase da substância. Caso contrário teríamos de adicionar as entalpias correspondentes às mudanças de fase. Uma vez que a equação anterior se aplica a cada um dor reagentes e produtos de uma reação química, podemos calcular a dependência da entalpia de uma reação com a temperatura (Lei de Kerchhoff): ∆𝑟𝐻(𝑇𝑓) = ∆𝑟𝐻(𝑇𝑖) + ∫ ∆𝑟𝐶𝑝𝑑𝑇 𝑇𝑓 𝑇𝑖 Com ∆𝑟𝐶𝑝 = ∑ 𝑣𝑖𝑐𝑝(𝑖) 𝑖 Onde ∆𝑟𝐶𝑝 é a soma das capacidades caloríficas molares dos reagentes e dos produtos, afetadas dos respetivos coeficientes estequiométricos vi. A equação da Lei de Kerchhoff permite, por exemplo, determinar a entalpia de uma reação a qualquer temperatura sabendo a ∆𝑟𝐻 25ºC e as dependências com a temperatura das capacidades caloríficas dos reagentes e dos produtos da reação. Embora as capacidades caloríficas dependam da temperatura, é frequentemente boa aproximação admitir que elas são constantes num intervalo de temperaturas, desde que este não seja muito grande. A Figura 7 exemplifica a aplicação da Lei de Kerchhoff na determinação de ∆𝑟𝐻 à temperatura T2, sabendo a entalpia de reação a T1. Como a entalpia é uma função de estado, podemos obter ∆𝑟𝐻(𝑇2) seguindo o percurso 1-2-3. Este percurso envolve três passos: 1. Passagem dos reagentes de T2 para T1. 2. Reação a T1. 3. Passagem dos produtos da reação de T1 para T2. Assim, temos para cada passo: ∆𝐻(1) = ∫ 𝐶𝑝(𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠)𝑑𝑇 𝑇1 𝑇2 = − ∫ 𝐶𝑝(𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠)𝑑𝑇 𝑇2 𝑇1 ∆𝐻(2) = ∆𝑟𝐻(𝑇1) ∆𝐻(3) = ∫ 𝐶𝑝(𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠)𝑑𝑇 𝑇2 𝑇1 ∆𝐻(𝑇2) = ∆𝐻(1) + ∆𝐻(2) + ∆𝐻(3) ∆𝐻(𝑇2) = ∆𝑟𝐻(𝑇1) + ∫ [𝐶𝑝(𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠) − 𝐶𝑝(𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠)]𝑑𝑇 𝑇2 𝑇1 Figura 8: Esquema ilustrativo da lei de Kirchhoff Fonte: autoria própria 6. EQUILÍBRIO DE FASES 6.1. Energia Livre de Gibbs Visando estabelecer os critérios de espontaneidade e de equilíbrio em acordo com as condições especificadas é definida a energia livre de Gibbs, G. 𝐺 ≡ 𝐻 − 𝑇𝑆 Pela definição de entalpia e para um sistema que apenas faz o trabalho pV: 𝑑𝐺 = 𝑉𝑑𝑝 − 𝑆𝑑𝑇 Esta é uma das mais importantes equações termodinâmicas para descrição de sistemas químicos e mostra que a energia livre de Gibbs, e, portanto, a posição de equilíbrio, varia com a pressão e temperatura. A equação implica as variáveis naturais, T e p, de modo que a condição de espontaneidade é: (𝑑𝐺)𝑇,𝑝 ≤ 0 Assim, a variação de energia livre de Gibbs, representa o trabalho útil máximo que se pode obter em uma transformação efetuada a temperatura e pressão constantes. ∆G < 0: o processo é espontâneo ∆G > 0: o processo não é espontâneo ∆G = 0: o sistema está em equilíbrio ∆G ser menor que zero define apenas a espontaneidade, não a velocidade. Uma reação pode ser termodinamicamente favorável, mas prosseguir muito lentamente. 6.2. Potencial Químico A energia de Gibbs parcial molar é uma grandeza tão importante no equilíbrio químico que recebe nome especial: potencial químico. 𝜇 ≡ ( 𝜕𝐺 𝜕𝑛𝑖 ) 𝑇,𝑝,𝑛𝑗≠𝑖 Onde ni é o número de mol da espécie i. Para sistemas com mais de um componente, o potencial químico não é igual a variação de energia livre do material puro, porque cada componente interage com os outros, o que afeta a energia total do sistema. Se todos os componentes fossem ideais, isto não aconteceria, e as quantidades molares parciais seriam as mesmas para qualquer componente do sistema. Em síntese, podemos dizer que o potencial químico é uma medida do quanto uma espécie “deseja” sofrer uma mudança física ou química. Se duas ou mais substâncias estão presentes em um sistema e têm diferentes potenciais químicos, algum processo deve ocorrer para igualar esses potenciais. Desse modo, potencial químico nos leva a pensar em reações químicas em equilíbrio químico. 6.3. Coeficiente de Joule-Thompson O comportamento de um fluido durante o processo de estrangulamento (h constante) é descrito pelo coeficiente Joule- Thompson, definido como: 𝜇 = ( 𝜕𝑇 𝜕𝑃 ) ℎ Se: μ > 0: a temperatura diminui μ = 0: a temperatura permanece constante μ <0: a temperatura aumenta 6.4. Fugacidade Para uma substancia pura temos que 𝜇𝑖 − 𝜇 0 = 𝑅𝑇 ln ( 𝑃 𝑃0 ) Sendo 𝜇0 o potencial químico na pressão de referencia P0, e a mesma temperaturaque o potencial químico desejado T. Quando a pressão tende a zero os gases se comportam idealmente. Para uma substancia pura: 𝑔𝑖 − 𝑔 0 = 𝑅𝑇 ln ( 𝑓𝑖 𝑣 𝑓𝑖 𝑣) 𝑔𝑖 − 𝑔 0 = 𝑅𝑇 ln ( 𝑓𝑖 𝑣 𝑃 𝑏𝑎𝑖𝑥𝑎 ) 𝑓𝑖 𝑣: fugacidade de substancia pura na fase de vapor 𝑓𝑖 𝑣: fugacidade do componente i com uma mistura na fase vapor O termo 𝑓𝑖 𝑣/pi aparece frequentemente em cálculos de fugacidade, denominado de coeficiente de fugacidade: �̂�𝑖 ≡ 𝑓𝑖 𝑝𝑖,𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑓𝑖 𝑦𝑖𝑝𝑠𝑖𝑠𝑡 �̂�𝑖 = 1: forças atrativas e repulsivas se equivalem �̂�𝑖 < 1: a pressão corrigida, ou a “tendência a escapar” é menos do que para um gás ideal. As forças atrativas dominam o comportamento do sistema. �̂�𝑖 > 1: as forças repulsivas são mais fortes. O coeficiente de fugacidade compara a fugacidade do componente i com a pressão parcial que o componente i exerceria caso o sistema fosse considerado um gás ideal. 7. DIAGRAMAS DE FASE 7.1. Definições Considere uma substância pura na fase líquida em determinada temperatura e pressão em um recipiente fechado que mantenha a pressão constante. Ao transferirmos calor para esta substância, sua temperatura aumentará até começar o processo de mudança da fase líquida para a fase gasosa. Durante o processo de mudança de fase, a temperatura permanece constante independentemente da quantidade de calor injetada. Após toda a fase líquida passar para a fase gasosa, a temperatura voltará a aumentar. Temperatura de saturação: é a temperatura na qual ocorre a vaporização numa determinada pressão, denominada de pressão de saturação ou de vapor. No caso de substâncias puras, a temperatura de saturação é uma função da pressão de saturação. Se uma substância se encontra na fase líquida na temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de líquido saturado. Se a temperatura de uma substância líquida é mais baixa do que do que a temperatura de saturação na pressão existente, a fase é chamada de sub- resfriado ou líquido comprimido, porque, para estar nestas condições, a pressão deve ser superior à pressão de saturação. Título, x: é definido como sendo a razão entre a massa de vapor e a massa total da substância. Título é uma propriedade intensiva e só tem sentido quando as fases líquida e gasosa existem simultaneamente e, consequentemente, a substância encontra-se no estado saturado. Se uma substância se encontra na fase gasosa na temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de vapor saturado. Vapor superaquecido: definido como sendo o vapor em temperatura superior à temperatura de saturação. Neste caso, temperatura e pressão passam a ser propriedades independentes. O Estado Saturado caracteriza-se pela mistura de líquido saturado e vapor saturado em equilíbrio e pode ser representado graficamente pelo gráfico Temperatura versus volume específico. Observa-se que o título pode ser considerado como a distância entre o estado da mistura e o estado líquido saturado dividido pela distância entre os estados líquido e vapor saturado na temperatura de saturação em questão. Conforme a temperatura aumenta, a distância entre os estados diminui até que o ponto crítico é atingido. Neste ponto os dois estados são idênticos e a definição de título deixa de existir. Quando isto ocorre, a substância encontra-se em condições supercríticas e passa a ser chamada de fluido. No entanto, por convenção, fluidos em temperaturas inferiores à temperatura crítica são chamados de líquidos comprimidos. Analogamente, quando a temperatura é superior à temperatura crítica, os fluidos são chamados de vapor superaquecido. Os diagramas de fases indicam quais as fases em equilíbrio e o que acontece quando se varia a pressão ou a temperatura ou o volume (ou a composição, no caso de misturas). 7.2. Superfície p – v – T Ao longo da linha tripla, uma linha de pressão e temperatura constantes, existem simultaneamente as três fases. Nos diagramas das Figuras 9 e 10, os pontos a, b, e c representam, respectivamente, os volumes molares (ou específicos) do sólido, do líquido e do vapor, em equilíbrio nas condições de p e de T do ponto triplo. A linha do ponto triplo é paralela ao eixo dos volumes da superfície p – v – T, é representada por um ponto num diagrama p – T. A Figura 9 mostra substancias que se contraem ao se solidificar (maioria das substancias). Figura 9: Diagrama p - v - T de substancias que se contraem ao solidificar Fonte: livro A exceção – água: a temperatura de fusão da água diminui com o aumento de pressão, o que é equivalente a dizer que a linha da fusão tem um declive negativo. A Figura 10 mostra substancias que se expandem ao se solidificar. Figura 10: Diagrama p - v - T de substancias que se expandem ao solidificar Fonte: livro 7.3. Diagrama p – T O critério de equilíbrio termodinâmico entre duas fases α e β é a igualdade das suas energias de Gibbs molares (ou potenciais químicos no caso de uma substancia pura). Assim podemos representar superfícies de energias de Gibbs molar (ou de potencial químico) de cada fase em função de p e T conforme a Figura 11. Figura 11: Superfície de potencial químico. a fase mais estável é a que tiver menor potencial químico Fonte: livro A Figura 12 mostra o diagrama p – T. Figura 12: Diagrama de fases p – T Fonte: livro 7.4. Diagramas Termodinâmicos Os diagramas T – s são particularmente úteis na descrição de processos envolvendo motores térmicos e ciclos de potência e de refrigeração que envolvem passos adiabático, isotérmicos e isobáricos. A Figura 13 representa esses passos nos diagramas p – v e T – v. Figura 13: Diagramas p - v e T – s Fonte: livro Diagramas p – v e T – v indicam as zonas de existência do líquido e do vapor e do respetivo equilíbrio e, no caso do diagrama p – v, também a zona de existência do sólido e do equilíbrio solido-líquido. Figura 14: Diagramas p - v e T – v Fonte: livro A Figura 15 mostra as características gerais dos diagramas termodinâmicos que envolvem a entropia. Uma vez que a compressibilidade de um líquido é pequena para temperaturas inferiores à temperatura crítica do líquido, as propriedades dos líquidos variam muito pouco com a pressão. Figura 15: Diagramas termodinâmicos que envolvem entropia Fonte: livro Diagramas entalpia entropia são particularmente uteis na análise de equipamentos que funcionam em regime de fluxo constante e estacionário. Num diagrama h – s, as isotérmicas são representadas por retas na região de equilíbrio liquido – vapor, e por linhas quase horizontas na região do vapor superaquecido, particularmente a pressões baixas. Os diagramas p – h são especialmente uteis em processos de refrigeração. As linhas de saturação do líquido e do vapor inclinam-se ligeiramente para a direita pois as entalpias do vapor e do líquido aumentam ao longo da linha de saturação e até perto do ponto crítico, altura em que a entalpia do vapor passa a diminuir devido à não idealidade da fase vapor. No ponto crítico, hL = hV. Um exemplo de diagrama p – h está representado na Figura 16. Figura 16: Diagrama p - h de uma substancia pura Fonte: livro 8. QUESTÕES DO ENADE 8.1. Ano de 2005 8.2. Ano de 2008 8.3. Ano de 2011 8.4. Ano de 2014 8.5. Gabaritos 2005 35 B 36 B 2008 25 D 26 D 37 C 2011 19 D 20 B 22 D 39 B 40 E 2014 23 C REFERENCIAS Smith, J. M., Van Ness, H. C. e Abbott, M. M., Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 7a Ed., LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2007. ÇENGEL, Y.; BOLES, M. Termodinâmica. McGraw-Hill, São Paulo, 5 ed., 2006.