10. Propriedades das Substâncias Puras I

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Propriedades das Substâncias Puras I
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Substância Pura
Uma substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão é chamada de substância pura.
Água;
Gás Nitrogênio;
Gás Hélio;
Dióxido de Carbono.
Substância Pura
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Uma substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão é chamada de substância pura.
Água;
Gás Nitrogênio;
Gás Hélio;
Dióxido de Carbono.
Substância Pura
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Uma substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão é chamada de substância pura.
Água;
Gás Nitrogênio;
Gás Hélio;
Dióxido de Carbono.
Substância Pura
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Uma substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão é chamada de substância pura.
Água;
Gás Nitrogênio;
Gás Hélio;
Dióxido de Carbono.
Substância Pura
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Entretanto, uma substância pura não precisa ser constituída por um único elemento químico ou composto químico.
Uma combinação de diversos elementos ou compostos químicos também se qualifica como substância pura.
Contanto que a mistura seja homogênea.
Substância Pura
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O ar é uma mistura de diversos gases, mas com frequência é considerado uma substância pura porque tem uma composição química uniforme.
Substância Pura
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Em mol ou volume, o ar seco é composto de:
20,95% de oxigênio
78,08% de nitrogênio
0,93% de argônio
0,04% de dióxido de carbono, hélio, neônio, hidrogênio, metano e criptônio.
Substância Pura
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Uma mistura de óleo e água é uma substância pura?
Como o óleo não é solúvel em água, ele se concentrará na parte superior da água, formando duas regiões quimicamente heterogêneas.
Substância Pura
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Uma mistura de duas ou mais fases de uma substância pura ainda é uma substância pura, desde que a composição química de todas as fases seja igual.
Substância Pura
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Uma mistura de gelo e água líquida, por exemplo, é uma substância pura porque ambas as fases têm a mesma composição química. 
Substância Pura
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Uma mistura de ar líquido e ar gasoso, porém, não é uma substância pura.
A composição do ar líquido é diferente da composição do ar gasoso e, portanto, a mistura não é mais quimicamente homogênea. 
Isso acontece porque os diferentes componentes do ar condensam a diferentes temperaturas em uma determinada pressão.
Substância Pura
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Substância Pura
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LACE – Liquid Air Cycle Engine
https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_air_cycle_engine
Substância Pura
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1) Compressor de ar; 2) Trocador de calor; 3) Tanque de LH2 (vermelho); 4) Condensador; 5) Bombas de LH2 e LAR; 6) Turbina; 7) Ar Liquefeito (azul); 8) Câmara de combustão; 9) Bocal.
Fases de uma Substância Pura
As substâncias existem em diferentes fases.
À temperatura e pressão ambientes, o cobre é um sólido, o mercúrio é um líquido e o nitrogênio é um gás.
Fases de uma Substância Pura
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Porém, sob condições diferentes cada substância pode aparecer em uma fase diferente.
Fases de uma Substância Pura
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Embora existam três fases principais, uma substância pode ter várias fases dentro de uma fase principal, cada qual com uma estrutura molecular diferente. 
O carbono pode existir como grafite ou diamante, na fase sólida; 
O hélio tem duas fases líquidas; 
O ferro tem três fases sólidas;
O gelo pode existir a sete fases diferentes a altas pressões.
Fases de uma Substância Pura
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Uma fase é identificada por uma organização molecular distinta, que é homogênea em toda a fase e separada das outras fases por fronteiras facilmente identificáveis. 
As duas fases de H2O em um copo de água com gelo representam um bom exemplo disso.
Fases de uma Substância Pura
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A organização dos átomos nas diferentes fases: 
(a) moléculas ocupam posições relativamente fixas em um sólido;
(b) grupos de moléculas se movimentam com relação a outros grupos na fase líquida;
(c) moléculas se movimentam de maneira aleatória na fase gasosa.
Fases de uma Substância Pura
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Há inúmeras situações práticas em que duas fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio.
A água existe como uma mistura de líquido e vapor na caldeira e no condensador de uma usina termoelétrica.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
O gás refrigerante passa de líquido para vapor no evaporador de um refrigerador.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
O gás refrigerante passa de vapor para líquido no condensador de um refrigerador.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Por ser uma substância conhecida, a água é usada para demonstrar os princípios básicos envolvidos na mudança de fase.
Entretanto, vale a pena lembrar que todas as substâncias puras exibem, de uma forma geral, o mesmo comportamento.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Líquido Comprimido e Líquido Saturado
Considera-se um arranjo pistão cilindro contendo água no estado líquido a uma pressão de 1 atm.
Nessas condições a água está na fase líquida e é chamada de líquido comprimido ou sub-resfriado.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Líquido Comprimido e Líquido Saturado
Calor agora é transferido para a água, elevando sua temperatura.
À medida que a temperatura se eleva, a água líquida se expande ligeiramente e seu volume específico aumenta.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Líquido Comprimido e Líquido Saturado
Para o sistema se acomodar a essa expansão, o pistão sobe ligeiramente.
A pressão no cilindro permanece constante e igual a 1 atm (101,325 kPa).
A água ainda é líquido comprimido, pois ainda não começou a vaporizar.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Líquido Comprimido e Líquido Saturado
À medida que mais calor é transferido, a temperatura continua subindo até atingir 100°C.
Nesse ponto, a água ainda é um líquido, mas qualquer adição de calor fará com que o líquido se converta em vapor.
Um líquido que está pronto 
 para vaporizar é chamado de 
 líquido saturado.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Após o início da ebulição, a temperatura para de subir até que o líquido se converta inteiramente em vapor.
Ou seja, a temperatura permanecerá constante durante todo o processo de mudança de fase se a pressão for mantida constante.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Se for colocado um termômetro na água pura em ebulição, o termômetro sempre indicará 100°C (P = 1 atm) se a panela estiver destampada.
A única modificação que se observa nesse processo é um aumento no volume de vapor e um declínio no nível de líquido.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Tendo se passado metade do processo de vaporização, o cilindro contém quantidades iguais de líquido e vapor.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
À medida que calor é transferido, o processo de vaporização continua até que a última gota de líquido seja convertida em vapor.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Nesse ponto, todo o cilindro está cheio de vapor no limite com a fase líquida, ou seja, qualquer perda de calor por parte deste vapor fará com que parte dele se condense.
Um vapor que está prestes a condensar é chamado de vapor saturado.
Uma substância que se encontre no estado 3 (entre 2 e 4) é chamada de mistura líquido-vapor saturada.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Após a conclusão do processo de mudança de fase, retorna-se para uma região de única fase (vapor).
A partir daí, qualquer transferência de calor para o vapor resultará em um aumento tanto de temperatura quanto de volume específico.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
No estado 5, a temperatura do vapor é tal que, mesmo se houver uma leve remoção de calor, não ocorrerá condensação (T > 100°C, P = 1 atm).
Um vapor que não está pronto para se condensar é chamado de vapor superaquecido.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Se o processo descrito fosse revertido, ou seja, fosse removido calor do vapor à pressão constante, a água voltaria ao estado 1.
O calor liberado seria o mesmo que foi adicionado.
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
A água ferve sempre a 100°C?
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
A água só começou a ferver aos 100°C porque foi mantida uma pressão constante de 1 atm (101,325 kPa).
Se a pressão dentro do cilindro fosse elevada para 500 kPa pela adição de pesos no pistão, a água ferveria a 151,8°C.
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
A uma determinada pressão, a temperatura na qual uma substância pura muda de fase é chamada de temperatura de saturação (Tsat).
A uma determinada temperatura, a pressão na qual uma substância pura muda de fase é chamada de pressão de saturação (Psat).
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
Tabelas de saturação que relacionam a pressão de saturação em função da temperatura (ou vice versa) encontram-se disponíveis para praticamente todas as substâncias.
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
É necessária uma grande quantidade de energia para derreter um sólido ou vaporizar um líquido.
A quantidade de energia absorvida ou liberada durante um processo de mudança de fase é chamada de calor latente.
As magnitudes dos calores latentes dependem da temperatura ou da pressão na qual ocorre a mudança de fase.
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
Durante um processo de mudança de fase, pressão e temperatura são propriedades dependentes, existindo uma relação entre elas.
Tsat=f (Psat)
Um gráfico de Tsat em função de Psat é chamado de curva de saturação líquido-vapor.
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
É possível ver que Tsat aumenta com Psat.
Assim, uma substância a pressões mais altas entra em ebulição a temperaturas mais altas.
Temperaturas de ebulição mais altas significam tempos de cozimento menores e economia de gás.
Cozimento de carne:
1 a 2 horas – panela regular (1 atm – Tsat = 100°C)
20 minutos – panela de pressão (3 atm – Tsat = 134 °C)
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
Para cada 1.000 m de aumento na altitude, a temperatura de ebulição se reduz em um pouco mais de 3 °C.
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
A pressão atmosférica em uma localidade, e portanto a temperatura de ebulição, muda ligeiramente de acordo com as condições meteorológicas. 
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Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
A relação entre a temperatura e a pressão de saturação permite controlar a temperatura de ebulição de uma substância pelo controle da pressão.
Isso resulta em aplicações práticas que se baseiam na tendência natural ao equilíbrio de fases mediante a evaporação de parte do líquido.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Considera-se um botijão fechado contendo fluido refrigerante R-134a na fase líquida em uma sala a 25°C.
Se o botijão ficar tempo suficiente na sala, a temperatura do refrigerante dentro dele também será de 25°C.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Se a tampa do botijão for aberta lentamente e parte do refrigerante escapar, a pressão no botijão começará a cair até atingir a pressão atmosférica.
A temperatura do botijão começará a cair rapidamente e até mesmo gelo se formará em sua parte externa, caso o ar esteja úmido.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Um termômetro inserido no recipiente registrará uma temperatura de -26°C quando a pressão cair até 1 atm, que é a temperatura de saturação do refrigerante R-134a nessa pressão.
A temperatura do líquido refrigerante permanecerá a -26°C até que a última gota evapore.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Um líquido não pode vaporizar enquanto não absorver energia em uma quantidade igual ao calor latente de vaporização.
217 kJ/kg para o R-134a a 1 atm.
Assim, a taxa de evaporação dependerá da taxa de transferência de calor para o botijão.
Quanto maior for a taxa de transferência de calor, maior será a taxa de evaporação.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Essa taxa de transferência de calor pode ser minimizada por um isolamento eficiente.
No caso limite em que não haja transferência de calor para o botijão, o refrigerante permanecerá por tempo indefinido como líquido a -26°C.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
A temperatura de ebulição do nitrogênio à pressão atmosférica é de -196°C.
Isso significa que a temperatura do nitrogênio líquido exposto à atmosfera deve ser de -196°C, uma vez que parte do nitrogênio está evaporando.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
A temperatura do nitrogênio líquido permanece constante a -196°C até que o nitrogênio se esgote. 
Por esse motivo, o nitrogênio é comumente usado em estudos científicos de baixa temperatura e em aplicações criogênicas para manter uma câmara de testes à temperatura constante de -196°C.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Isso é feito colocando-se a câmara de testes em um banho de nitrogênio líquido aberto para a atmosfera. 
Qualquer transferência de calor do ambiente para a seção de testes é absorvida pelo nitrogênio.
Ele evapora isotermicamente e mantém a temperatura da câmara de testes constante a -196°C.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Toda a seção de testes deve ser bem isolada para minimizar a transferência de calor e, portanto, o consumo de nitrogênio líquido.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Uma forma de congelar folhas de vegetais é o resfriamento a vácuo.
Ele se baseia em reduzir a pressão da câmara de resfriamento até a pressão de saturação correspondente à baixa temperatura desejada e evaporar parte da água dos produtos a serem resfriados.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
O calor necessário para a vaporização durante a etapa de evaporação é retirado dos próprios produtos, o que diminui sua temperatura.
A pressão de saturação da água a 0°C é de 0,61 kPa.
Os produtos podem ser resfriados até essa temperatura com esse nível de pressão.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
O resfriamento a vácuo é geralmente mais caro do que o resfriamento convencional.
Portanto seu uso limita-se às aplicações que resultam em resfriamento muito mais rápido. 
Produtos com elevada área superficial por unidade de massa e com alta tendência a liberar umidade são adequados para o resfriamento a vácuo.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
Produtos com baixa razão entre área superficial e massa não são adequados, particularmente aqueles que têm cascas relativamente impermeáveis. 
Alguns produtos, como cogumelos e ervilhas, podem ser resfriados a vácuo após serem umedecidos.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat 
O resfriamento a vácuo torna-se congelamento a vácuo se a pressão cair abaixo de 0,61 kPa.
Em 1775, o Dr. William Cullen fez gelo retirando o ar de um tanque de água.
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Consequências da Dependência entre Tsat e Psat