termodinâmica 2tp

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<p>Termodinâmica</p><p>2003 Lourenço/2013 Baêta</p><p>Diagrama de Fases</p><p>Os mais simples diagramas de fase são diagramas pressão-temperatura de uma única</p><p>substância, tais como a água. Os eixos correspondem à pressão e à temperatura. O</p><p>diagrama de fase mostra, em espaço pressão-temperatura, as linhas de equilíbrio ou</p><p>contornos de fase entre as três fases de sólido, líquido e gás.</p><p>Os espaços abertos correspondem a regiões de fase única. Regiões monofásicas são</p><p>separadas por linhas, onde transições de fase ocorrem, que são</p><p>chamados contornos ou limites de fase.</p><p>No diagrama à baixo, o contorno de fase entre líquido e gás não continua indefinidamente.</p><p>Em vez disso, ele termina em um ponto no diagrama de fase chamado ponto crítico. Isto</p><p>reflete o fato que, a extremamente altas temperaturas e pressões, as fases líquidas e</p><p>gasosas tornam-se indistinguíveis, no que é conhecido como um fluido supercrítico.</p><p>Um típico diagrama de fase. A linha pontilhada mostra o comportamento anômalo da água. As linhas</p><p>verdes marcam o ponto de congelamento e a linha azul o ponto de ebulição, mostrando como tais</p><p>grandezas variam de acordo com a pressão</p><p>Obs O contorno de fase líquido-sólido no diagrama de fase da maioria das substâncias</p><p>tem um coeficiente angular positivo; quanto maior a pressão sobre uma determinada</p><p>substância, o aproximar das moléculas da substância as coloca interpostas uma das outras,</p><p>o que aumenta o efeito das forças intermoleculares da substância. Assim, a substância</p><p>requer uma temperatura mais elevada para as suas moléculas terem energia suficiente</p><p>para quebrar o padrão fixo da fase sólida e entrar na fase líquida. Um conceito similar</p><p>aplica-se a mudanças de fase gás-líquido. A água, por causa de suas propriedades</p><p>particulares, é uma das várias exceções à regra. Nos gráficos da água, antimônio, ferro e</p><p>bismuto, a curva de fusão/ solidificação é rotacionada para a esquerda.</p><p>Pressão de vapor</p><p>Em um recipiente fechado, as moléculas de vapor da água se desprenderão, exercendo</p><p>pressão sobre as paredes do recipiente e sobre a superfície do líquido. O vapor também</p><p>poderá atingir a superfície do líquido e se condensar</p><p>Na situação de equilíbrio, quando a condensação se estabiliza com a evaporação, temos</p><p>a pressão máxima de vapor, que é a pressão máxima que a substância pode ter de vapor,</p><p>já que o ambiente estará saturado de vapor.</p><p>A pressão máxima de vapor depende apenas da temperatura e natureza do material, e não</p><p>da quantidade (massa e volume).</p><p>Para deixar essa visualização mais clara, façamos um gráfico que representa a distribuição</p><p>das velocidades das partículas de um líquido em um sistema fechado.</p><p>Pelo conceito de temperatura como velocidade média das partículas, temos uma</p><p>densidade maior de partículas com essa determinada velocidade. Porém, há também</p><p>partículas com velocidades menores e maiores que a média. A essas partículas com</p><p>velocidades maiores, há uma tendência de elas se desprenderem do líquido (assim se dá</p><p>a vaporização)</p><p>Da mesma forma, há partículas do vapor nesse sistema fechado que perdem energia</p><p>cinética e se juntam ao líquido (é a condensação)</p><p>Aqui vemos uma representação de um sistema fechado onde as partículas azuis representam o conjunto</p><p>líquido (ao menos num instante inicial) e as vermelhas as representam o vapor (ao menos inicialmente).</p><p>Dei uma destacada em preto nas partículas mais da superfície por elas serem as primeiras a evaporarem.</p><p>Note que cada partícula possui um vetor velocidade aleatório, que se altera por colisões e afins, gerando</p><p>os processos já citados de evaporação e condensação</p><p>Por fim, vamos analisar a mudança da pressão de máxima de vapor com a mudança de</p><p>temperatura do sistema.</p><p>Essa variação exponencial se dá pelo fato de, ao aumentarmos a energia cinética média do</p><p>sistema, o gráfico da distribuição da energia das partículas se “move” pra esquerda e,</p><p>consequentemente o número de partículas com energia cinética suficiente pra se desprender</p><p>da superfície do líquido e virar vapor aumenta muito (veja o gráfico abaixo para melhor</p><p>compreensão)</p><p>Será que em uma garrafa de água fechada há água evaporada?</p><p>Se deixarmos essa garrafa por alguns dias em repouso, veremos que o nível da água não</p><p>diminuirá como ocorreria se a garrafa estivesse aberta. Será que isso significa, então, que</p><p>a água não evapora se o recipiente estiver fechado?</p><p>Não. Todo sistema que contém um líquido está sujeito à evaporação. Isso acontece</p><p>quando as moléculas da superfície ganham energia suficiente para desfazer as suas</p><p>ligações intermoleculares e escaparem para fora da massa líquida.</p><p>Por exemplo, considere um sistema que contém uma parte de ar e outra de água, como na</p><p>garrafa fechada. Inicialmente, algumas moléculas da superfície evaporam e ocupam os</p><p>espaços entre as partículas de ar. Essa evaporação vai ocorrendo com várias moléculas</p><p>separadas até que o ar fica saturado de vapor de água. Esse vapor de água exerce uma</p><p>pressão sobre a superfície do líquido, sendo que essa é a pressão máxima de vapor da</p><p>água nessa determinada temperatura.</p><p>A partir desse momento, o nível da água não se modifica, ou seja, a quantidade de</p><p>moléculas no estado de vapor permanece constante. Entretanto, isso não significa que não</p><p>haverá mais moléculas que passarão para o estado de vapor. Na realidade, para que uma</p><p>molécula vire vapor, outra molécula que já está no estado de vapor deve voltar para o</p><p>estado líquido e assim sucessivamente.</p><p>Quando o sistema atinge então a pressão máxima de vapor, significa que o sistema está</p><p>em equilíbrio dinâmico. Para que uma molécula passe para o estado de vapor, outra deve</p><p>se condensar.</p><p>Sublimação</p><p>Passagem direta do estado sólido para o gasoso (gelo seco/naftalina) é necessário que a</p><p>Pressão de Vapor da substância seja menor que a Pressão do Ponto Triplo</p><p>Fusão</p><p>Cristalina: acontece em temperaturas determinadas que se mantêm constantes durante o</p><p>processo para uma determinada pressão. (fusão da água a 1 atm ocorre a 0ºC)</p><p>Pastosa: a fusão ocorre em uma FAIXA DE TEMPERATURA, aumentando</p><p>gradativamente, ocorre em substâncias amorfas e misturas cristalinas complexas.</p><p>Experimento de Tyndall</p><p>Nos pontos de contato entre o gelo e o fio de metal, a pressão aumenta, ocasionando a</p><p>diminuição da temp. de fusão. Desse modo, o gelo se funde a uma temp. abaixo de 0ºC e</p><p>o fio o atravessa, quando o fio desce um pouco, a parte acima dele se congela novamente,</p><p>por conta da diminuição da pressão, isso é o regelo.</p><p>Sobrefusão</p><p>Fenômeno em que uma substância se mantém líquida mesmo após ter atingido a</p><p>temperatura de solidificação, pois se retira lentamente seu calor. Esse estado é</p><p>extremamente instável e qualquer interferência (agitação) gera a solidificação imediata.</p><p>Evaporação e Ebulição</p><p>EG – Energia que permite às moléculas passarem para a fase gasosa.</p><p>Ao atingirem a temperatura Te, muitas moléculas (praticamente metade) têm energia</p><p>suficiente para deixar o líquido. Mas mesmo em temperaturas inferiores “Ti”, algumas</p><p>moléculas também o têm.</p><p>UMIDADE RELATIVA DO AR.</p><p>A quantidade de vapor d’água existente no ar é medida pela Umidade Relativa (U.R),</p><p>onde 100% representam o ar saturado.</p><p>U.R= Pressão parcial de vapor/ Pressão máxima de vapor em determinada</p><p>temperatura</p><p>U.R= Quantidade de vapor do ambiente/ Quantidade de vapor da temperatura</p><p>Ponto de orvalho</p><p>O ponto de orvalho é definido como a temperatura até a qual o ar (ou gás) deve</p><p>ser resfriado para que a condensação de água se inicie, ou seja, para que o ar</p><p>fique saturado de vapor de água. Na temperatura do ponto de orvalho a</p><p>quantidade de vapor de água presente no ar é máxima.</p><p>Efeito da temperatura do ar</p><p>A temperatura de ponto de orvalho está relacionada à quantidade de vapor de</p><p>água presente no ar e é, portanto, independente da temperatura (o mesmo não</p><p>acontece com a umidade relativa,</p><p>que reduz com o aumento da temperatura).</p><p>Efeito da pressão</p><p>A temperatura de ponto de orvalho é sensível à pressão, pois esta afeta a</p><p>pressão parcial de vapor de água do ar. Ao se elevar a pressão do ar</p><p>(mantendo constante a temperatura), a temperatura de ponto de orvalho se</p><p>eleva, e caso ultrapasse a temperatura do ar, ocorrerá condensação.</p><p>Aplicação</p><p>O ponto de orvalho é tipicamente utilizado para representar a quantidade de</p><p>vapor de água em ar ou gás seco. Em baixa umidade, as mudanças na</p><p>temperatura de orvalho são maiores que as de umidade relativa, permitindo</p><p>maior precisão de medida e controle. Por exemplo, à temperatura ambiente,</p><p>uma variação no ponto de orvalho de -35°C para -3 °C corresponde a uma</p><p>variação de apenas 1% para 1,5% na umidade relativa.</p>