Fases e Comportamento de Substâncias

Prévia do material em texto

<p>3/23/2019</p><p>1</p><p>Termodinâmica ICapítulo 2 – Propriedades das Substâncias Puras</p><p>Elzídio Rodrigues</p><p>Substância Pura e Fases de Uma Substância Pura</p><p>Termodinâmica I 2</p><p> Uma substância que tem uma composição química constante</p><p>através de toda a sua massa chama-se substância pura</p><p> Substância pura não é necessariamente constituída apenas</p><p>por um único elemento ou composto químico</p><p> Apesar de ser uma mistura de vários elementos e compostos</p><p>o ar é uma substância pura porque tem uma composição</p><p>química uniforme,</p><p> Portanto, uma mistura quimicamente homogénea de vários</p><p>elementos e/ou compostos químicos continua a ser uma</p><p>substância pura.</p><p>3/23/2019</p><p>2</p><p>Substância Pura e Fases de Uma Substância Pura</p><p>Termodinâmica I 3</p><p> Duas ou mais fases do mesmo composto ou elemento é umasubstância pura pois as várias fases têm a mesma composiçãoquímica. É o caso duma mistura de água líquida e vapor de água,por exemplo.</p><p> As substâncias existem em diferentes fases. À temperatura epressão ambientes, o cobre é um sólido, o mercúrio um líquido e onitrogêneo é um gás.</p><p> Sob condições diferentes cada substância pode aparecer em umafase diferente.</p><p> Embora existam tres fases principais – sólida, líquida e gasosa –uma substância pode ter várias fases dentro de uma fase principal,cada qual com uma estrutura molecular diferente.</p><p> O carbono, por exemplo, pode existir como grafite ou diamante, nafase sólida</p><p> O ferro tem 3 fases sólidas</p><p>Substância Pura e Fases de Uma Substância Pura</p><p>Termodinâmica I 4</p><p> Ao estudar fases ou mudanças de fases em termodinâmica</p><p>não é preciso se preocupar com a estrutura molecular e com</p><p>o comportamento das diferentes fases. Entretanto é útil ter</p><p>uma certa compreensão do fenómeno molecular envolvido em</p><p>cada fase.</p><p> Em um sólido as moléculas estão organizadas em um padrão</p><p>tridimensional que se repete em todo o sólido. As forças de</p><p>atração entre as moléculas são grandes e mantém as</p><p>moléculas em posições relativamente fixas</p><p> Na fase líquida grupos de moléculas se movimentam com</p><p>relação aos outros. Forças intermoleculares mais fracas que</p><p>nos sólidos.</p><p>3/23/2019</p><p>3</p><p>Substância Pura e Fases de Uma Substância Pura</p><p>Termodinâmica I 5</p><p> Na fase gasosa as moléculas estão distantes umas das outras, e</p><p>não existem uma ordem molecular, se movimentam de maneira</p><p>aleatória colidindo continuamente entre si e com as paredes do</p><p>recipiente em que se encontram</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 6</p><p>Líquido Comprimido</p><p> Consideremos um dispositivo cilindro-pistão contendo água líquida a</p><p>20ºC e à pressão de 1</p><p> Sob estas condições a água apresenta-se num estado a que se chama</p><p>líquido comprimido</p><p> Aquece-se a água até à temperatura de 40ºC. À medida que a</p><p>temperatura sobe a água expande-se ligeiramente e o seu volume</p><p>específico aumenta. Por isso, o êmbolo sobe ligeiramente. A água</p><p>continua no estado de líquido comprimido</p><p>3/23/2019</p><p>4</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 7</p><p>Líquido Saturado</p><p> Continuando o aquecimento a temperatura subirá até atingir 100ºC</p><p>(estado 2). Nesta altura a água ainda está na fase líquida mas, por</p><p>menor que seja a quantidade de calor que lhe for fornecida, ela</p><p>provocará a vaporização de alguma porção de líquido. Isto é, uma</p><p>mudança da fase líquida para a fase gasosa está prestes a ter lugar.</p><p>Um líquido prestes a vaporizar chama-se líquido saturado (estado</p><p>2).</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 8</p><p>Mistura Saturada de Líquido e Vapor</p><p> Uma vez começada a ebulição a temperatura não subirá até</p><p>que o líquido esteja completamente vaporizado, isto é: a</p><p>temperatura permanece constante durante todo o</p><p>processo de mudança de fase se a pressão permanecer</p><p>constante.</p><p> No decurso deste processo de vaporização (ou ebulição) a</p><p>única mudança que se observará será um aumento de volume</p><p>e um abaixamento do nível de líquido no cilindro, resultante da</p><p>passagem de líquido a vapor.</p><p>3/23/2019</p><p>5</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 9</p><p>Mistura Saturada de Líquido e Vapor</p><p> Uma substância que se encontre num estado compreendido entre 2</p><p>e 4 é designada mistura de líquido saturado e vapor saturado ou</p><p>vapor húmido (estado 3)</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 10</p><p>Vapor Saturado</p><p> À medida que formos fornecendo calor o processo de vaporização</p><p>continuará até que a última gota de líquido se vaporize. (estado 4).</p><p>Nesse momento o vapor encherá completamente o cilindro.</p><p>Qualquer perda de calor, por menor que ela seja, provocará a</p><p>condensação de algum vapor. Um vapor que está prestes a</p><p>condensar-se chama-se vapor saturado (estado 4).</p><p>3/23/2019</p><p>6</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 11</p><p>Vapor Superaquecido</p><p> Um aquecimento posterior provocará um aumento de</p><p>temperatura e de volume específico do vapor. Um vapor que</p><p>não é saturado, isto é, que não está prestes a condensar-se,</p><p>chama-se vapor superaquecido (estado 5).</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 12</p><p>3/23/2019</p><p>7</p><p>Processos de Mudança de Fases de Substâncias Puras</p><p>Termodinâmica I 13</p><p>Temperatura e Pressão de Saturação</p><p>Termodinâmica I 14</p><p> A temperatura à qual a água (ou qualquer outra substância pura)</p><p>entra em ebulição depende da pressão; se se fixa a pressão</p><p>também ficará fixa a temperatura de ebulição.</p><p> Para uma dada pressão, a temperatura à qual uma substância entra</p><p>em ebulição chama-se temperatura de saturação</p><p> Analogamente, para uma dada temperatura, a pressão à qual uma</p><p>substância pura entra em ebulição chama-se pressão de</p><p>saturação</p><p> Durante uma mudança de fase a pressão e a temperatura são,</p><p>obviamente, propriedades dependentes uma da outra, isto é, existe</p><p>uma relação entre elas que é traduzida por uma equação:</p><p>= ( ) 2.1</p><p>3/23/2019</p><p>8</p><p>Temperatura e Pressão de Saturação</p><p>Termodinâmica I 15</p><p>Curva de Saturação Líquido-Vapor para Água</p><p>Temperatura e Pressão de Saturação</p><p>Termodinâmica I 16</p><p>Calor Latente</p><p> É necessária uma grande quantidade de energia para derreter um</p><p>sólido ou para vaporizar um líquido.</p><p> A quantidade de energia absorvida ou libertada durante um processo de</p><p>mudança de fase é chamada de calor latente.</p><p> Mais especificamente, a quantidade de energia absorvida durante a</p><p>fusão é chamada de calor latente de fusão e é equivalente à</p><p>quantidade de energia libertada durante a solidificação.</p><p> A quantidade de energia liberada durante a vaporização é chamada de</p><p>calor latente de vaporização e é equivalente à quantidade de energia</p><p>liberada durante a condensação.</p><p> As magnitudes dos calores latentes dependem da temperatura ou da</p><p>pressão na qual ocorre a mudança de fase.</p><p> Por exemplo, à pressão de 1 atm, o calor latente de fusão de água é de</p><p>333,7 ⁄ e o calor latente de vaporização é de 2256,5 ⁄ .</p><p>3/23/2019</p><p>9</p><p>Diagramas de Propriedades para os Processos de</p><p>Mudança de Fase</p><p>O Diagrama −</p><p>Termodinâmica I 17</p><p>Diagramas de Propriedades para os Processos de</p><p>Mudança de Fase</p><p>O Diagrama −</p><p>Termodinâmica I 18</p><p>3/23/2019</p><p>10</p><p>Diagramas de Propriedades para os Processos de</p><p>Mudança de Fase</p><p>O Diagrama − ou Diagrama de Fases</p><p>Termodinâmica I 19</p><p>Tabelas de Propriedades</p><p>Termodinâmica I 20</p><p>Entalpia</p><p> Para a maioria das substâncias, as relações entre as propriedadestermodinâmicas são complexas demais para serem expressas por meio deequações simples.</p><p> Assim as propriedades quase sempre são apresentadas na forma detabelas.</p><p> Algumas propriedades podem ser medidas com facilidade, mas outras nemtanto, devendo ser calculadas usando as relações entre elas e aspropriedades mensuráveis.</p><p> Na análise de determinados tipos de processos, particularmente na geraçãode potência e refrigeração, frequentemente encontra-se a combinação daspropriedades + .Em nome da simplicidade e da conveniência, essacombinação é definida como uma nova propriedade, a entalpia, que édesignada pela letra ℎ</p><p>ℎ = + ( / ) 2.2</p><p>= + ( ) 2.3</p><p> Tanto</p><p>entalpia total como entalpia específica ℎ são chamadas apenas deentalpia, uma vez que o contexto esclarece qual deve ser usada.</p><p>3/23/2019</p><p>11</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 21</p><p>Estados Líquido Saturado e Vapor Saturado</p><p> As propiedades da água nos estados líquido saturado e vapor saturadoestão listadas nas tabelas A-4 e A-5. Ambas as tabelas oferecem amesma informaçã, a única diferença ´que na tabela A-4 as propiedadesestão listadas em função da temperatura e na tabela A-5 em função dapressão.</p><p> Utiliza-se o índice nos símbolos das propriedades do líquido saturado eo índice nos símbolos das propriedades do vapor saturado</p><p> O índice é utilizado para representar a diferença entre os valores damesma propriedade correspondentes aos estados de vapor saturado ede líquido saturado</p><p>= volume específico do líq. saturado</p><p>= volume específico do vapor saturado</p><p>= diferença entre = −</p><p> À quantidade ℎ = ℎ −ℎ chama-se entalpia de vaporização ou calorlatente de vaporização. É a quantidade de calor que é necessáriofornecer à unidade de massa duma substância para a vaporizar a umadada pressão ou temperatura</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 22</p><p>Mistura de líquido-vapor saturados</p><p> Para determinar as propriedades desta mistura é preciso conhecer a</p><p>proporção em que se misturam a fase líquida e a fase vapor. Isso é</p><p>possível à custa de uma nova propriedade chamada título, que se</p><p>representa pelo símbolo . Título é o cociente entre a massa de</p><p>vapor e a massa total da mistura</p><p>= = 2.40 ≤ ≤ 1</p><p>3/23/2019</p><p>12</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 23</p><p>Mistura de Líquido-Vapor Saturados</p><p> O título tem sempre um valor compreendido entre 0 (0%) e 1 (100%).</p><p>Um líquido saturado tem título igual a 0 e um vapor saturado igual a 1</p><p> = + ; = ; = +</p><p> = − ; = − +</p><p> Dividindo por : = 1 − +</p><p>= + 2.5</p><p> Para qualquer propriedade da mistura:</p><p>= + 2.6</p><p> Os valores das propriedades da mistura estão sempre compreendidas</p><p>entre os valores dessa propriedade para o vapor saturado e para o</p><p>líquido saturado</p><p>≤ ≤ 2.7</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 24</p><p>Vapor Superaquecido</p><p> Na região a direita da linha de vapor saturado e a temperaturas</p><p>acima da temperatura do ponto crítico, uma substância existe como</p><p>vapor superaquecido.</p><p> A região superaquecida é de fase única (apenas fase vapor), a</p><p>temperatura e a pressão não são mais propriedades dependentes,</p><p>podendo ser usadas de forma conveniente como as duas</p><p>propriedades independentes das tabelas.</p><p> Valores das propriedades do estado vapor superaquecido, são</p><p>encontrados na tabela A-6 para a água, onde as tabelas estão</p><p>listadas em função da temperatura para pressões selecionadas,</p><p>começando a partir dos dados de vapor saturado.</p><p>3/23/2019</p><p>13</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 25</p><p>Vapor Superaquecido</p><p>Um vapor superaquecido é caracterizado por:</p><p> Pressões inferiores à pressão de saturação</p><p>( < à dada)</p><p> Temperaturas superiores à temperatura de saturação</p><p>( > à dada)</p><p> Qualquer propriedade tem um valor superior ao do vapor saturado à</p><p>mesma pressão (ou temperatura)</p><p>( > à , dadas)</p><p> Onde o representa o volume específico , a energia interna , a</p><p>entalpia ℎ ou entropia</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 26</p><p>Líquido Comprimido ou Subarrefecido</p><p>• A variação das propriedades do líquido comprimido com a pressão</p><p>é muito pequena, é necessário um aumento de 100 vezes na</p><p>pressão para que a variação das propriedades atinjam valores na</p><p>ordem de 1%.</p><p>• Na ausência de dados para o líquido comprimido, uma aproximação</p><p>geral é usada. Assume-se que o líquido comprimido é um líquido</p><p>saturado à mesma temperatura.</p><p>• Isto porque as propriedades de um líquido comprimido dependem</p><p>mais da temperatura do que da pressão.</p><p>• Consideram-se as propriedades dum líquido comprimido iguais às</p><p>propriedades do líquido saturado à mesma temperatura. Isto é:</p><p>≅ @ 2.8</p><p>3/23/2019</p><p>14</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 27</p><p>Líquido Comprimido ou Subarrefecido</p><p>Um líquido comprimido é caracterizado por:</p><p>• Pressões superiores à pressão de saturação</p><p>( > à uma determinada )</p><p>• Temperaturas inferiores à temperatura de saturação</p><p>( < à uma determinada )</p><p>• Qualquer propriedade tem um valor inferior ao do líquido saturado à</p><p>mesma pressão (ou temperatura)</p><p>( < à , dadas)</p><p>• Onde o representa o volume específico , a energia interna , a</p><p>entalpia ℎ ou entropia</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 28</p><p>Exemplo 2.1: Uso de tabelas de Vapor de Água para Determinação das</p><p>Propriedades</p><p> Determine as propriedades em falta e descreva as fases na tabela a</p><p>baixo referente a água</p><p>..\Cengel_-_Tabelas_-_Completa[1].pdf</p><p>, ᵒ , , ⁄ çã</p><p>200 0,6</p><p>125 1600</p><p>1000 2950</p><p>75 500</p><p>850 0,0</p><p>3/23/2019</p><p>15</p><p>Tabelas de Propriedades – Identificação de Estados</p><p>Termodinâmica I 29</p><p>Exemplo 2.2: Uso de tabelas de refrigerante 134-a para determinação das</p><p>propriedades</p><p> Determine as propriedades em falta e descreva as fases na tabela a baixo</p><p>referente ao refrigerante 134-a</p><p>..\Cengel_-_Tabelas_-_Completa[1].pdf</p><p>, ᵒ , , ⁄ çã</p><p>−8 320</p><p>30 0,015</p><p>180</p><p>80 600</p><p>Equação de Estado do Gás Ideal</p><p>Termodinâmica I 30</p><p> Tabelas de propriedades fornecem informações bastante exatas</p><p>sobre as propriedades, mas elas são volumosas e sujeitas a erros.</p><p> Uma abordagem mais prática e desejável seria ter algumas relações</p><p>entre as propriedades que fossem simples e suficientemente</p><p>precisas.</p><p> Qualquer equação que relacione a pressão, a temperatura e o</p><p>volume específico duma substância dada chama-se equação de</p><p>estado</p><p> A equação de estado mais simples e melhor conhecida para</p><p>substâncias na fase gasosa, é a equação de estado dos gases</p><p>perfeitos ou ideais</p><p> Esta equação prevê, com bastante precisão, o comportamento −</p><p>− dum gás, para uma determinada gama de valores da pressão e</p><p>da temperatura.</p><p>3/23/2019</p><p>16</p><p>Equação de Estado do Gás Ideal</p><p>Termodinâmica I 31</p><p> Em 1802, os franceses J.Charles e J.Gay-Lussac, determinaram</p><p>experimentalmente que a baixas pressões, o volume de um gás é</p><p>proporcional à sua temperature, ou seja:</p><p>=</p><p>= 2.9</p><p> é constante do gás e é diferente para cada gás e é determinada a partir</p><p>de:</p><p>= ·⁄ · ·⁄</p><p> é a constante universal dos gases e a massa molar= 8,31447 · · ·⁄⁄</p><p> A massa de um sistema é igual ao produto da sua massa molar e o número</p><p>de moles .</p><p>= · [kg] 2.10</p><p> A equação do estado do gás ideal pode ser escrita de diversas formas:</p><p>= → = 2.11</p><p>Equação de Estado do Gás Ideal</p><p>Termodinâmica I 32</p><p> Para uma massa fixa, temos a seguinte relação entre as propriedades de</p><p>um gás ideal em dois estados diferentes:</p><p>= 2.12</p><p> Um gás ideal é uma substância imaginária que obedece à relação =</p><p> Foi observado experimentalmente que a relação do gás ideal aproxima-se</p><p>bastante do comportamento − − dos gases reais a baixas densidades</p><p> A baixas pressões e altas temperaturas, a densidade de um gás diminui e o</p><p>gás se comporta como um gás ideal nessas condições</p><p> A pressão e a temperatura de uma substância é alta ou baixa dependendo</p><p>da sua temperatura e pressão do ponto crítico.</p><p>3/23/2019</p><p>17</p><p>O vapor de água é um gás ideal?</p><p>Termodinâmica I 33</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente</p><p>aos gases ideais – Factor de compressibilidade Z</p><p>Termodinâmica I 34</p><p> Devido à sua simplicidade, seria desejável poder utilizar-se semprea equação dos gases perfeitos. Infelizmente o seu uso acarretaerros graves quando se aplica a estados próximos da região desaturação e do ponto crítico.</p><p> No entanto,é possível fazer uma correcção a esta equaçãointroduzindo um parâmetro a que se chama factor decompressibilidade Z, que é definido por:</p><p>=</p><p>= 2.13</p><p> Também pode ser definida como:</p><p>= 2.14</p><p> Onde =</p><p>⁄ ; = 1 para gases ideais. Quanto maisdistante de 1 estiver mais o gás se desviará do comportamentodo gás ideal</p><p>3/23/2019</p><p>18</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente</p><p>aos gases ideais – Factor de compressibilidade Z.</p><p>Termodinâmica I 35</p><p> Os gases seguem o comportamento do gás perfeito a baixas</p><p>pressões e temperaturas elevadas. Mas o que constitui, na</p><p>realidade, uma pressão baixa e uma temperatura elevada?</p><p> Portanto, uma pressão e uma temperatura são, respectivamente,</p><p>baixa e alta relativamente à pressão crítica e temperatura crítica da</p><p>substância.</p><p> Os gases se comportam de modo diferente a uma determinada</p><p>temperatura e pressão.</p><p> Eles se comportam de modo muito parecido quando as</p><p>temperaturas e pressões são normalizados em relação a</p><p>temperatura e pressão críticas</p><p>= = 2.15</p><p> é pressão reduzida e é temperatura reduzida</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente aos</p><p>gases ideais – Factor de compressibilidade Z</p><p>Termodinâmica I 36</p><p>Diagrama Geral de Compressibilidade</p><p>3/23/2019</p><p>19</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente</p><p>aos gases ideais – Factor de compressibilidade Z</p><p>Termodinâmica I 37</p><p>Diagrama Geral de Compressibilidade</p><p>1. A pressões muito baixas ( ≪ 1) os gases se comportam como</p><p>gases ideais independentemente da temperatura</p><p>2. A temperaturas altas ( > 2)o comportamento do gás ideal pode</p><p>ser admitido com boa exactidão, independentemente da pressão</p><p>(excepto quando ≫ 1)</p><p>3. O desvio de comportamento de gás ideal é maior na vizinhança do</p><p>ponto crítico</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente</p><p>aos gases ideais – Factor de compressibilidade Z</p><p>Termodinâmica I 38</p><p> O fator para todos os gases é aproximadamente igual à mesma</p><p>pressão e temperatura reduzida. A esse facto dá-se o nome de</p><p>princípio de estados correspondentes</p><p> A concordância dos gases com o princípio de estados</p><p>correspondentes é relativamente boa.</p><p> Quando , ou são fornecidos em vez de , para permitir</p><p>o uso do diagrama geral de compressibilidade define-se uma</p><p>propriedade reduzida adicional chamada de volume específico</p><p>pseudo-reduzido como:</p><p>= ⁄ 2.16</p><p>3/23/2019</p><p>20</p><p>Desvio do comportamento dos gases reais relativamente</p><p>aos gases ideais – Factor de compressibilidade Z</p><p>Termodinâmica I 39</p><p>Exemplo 2.3: Uso dos diagramas generalizados</p><p> Determine o volume específico do refrigerante 134a a 1MPa e</p><p>50ºC, usando (a) a equação do estado do gás ideal e (b) o</p><p>diagrama geral de compressibilidade. Compare os valores</p><p>obtidos com o valor real 0,021796 ⁄ de determine o erro</p><p>associado a cada caso.</p><p>Outras Equações de Estado</p><p>Termodinâmica I 40</p><p>Equação de Estado de Van Der Walls</p><p>+ − = 2.17</p><p>= = 2.18</p><p>Equação de Estado de Beattie-Bridgeman</p><p>= ̅ 1 − ̅ + − 2.19</p><p>= 1 − ̅ = 1 − ̅ 2.20</p><p>Equação de Benedict-Webb-Rubin</p><p>= ̅ + − − 1</p><p>̅ + −</p><p>̅ + ̅ + ̅ 1 + ̅ ⁄ (2.21)</p><p>3/23/2019</p><p>21</p><p>Outras Equações de Estado</p><p>Termodinâmica I 41</p><p>Exemplo 2.4: Diferentes métodos de avaliação da pressão do gás</p><p> Determine a pressão do gás nitrogénio a = 175 e = 0,00375⁄ com base (a) equação do estado do gás ideal, (b) na</p><p>equação de estado de Van der Walls, (c) na equação de estado de</p><p>Beattie-Bridgeman e (d) na equação de estado de Benedict-Webb-</p><p>Rubin. Compare o resultado obtido com o valor de 10000</p><p>obtido experimentalmente</p>