11. Propriedades das Substâncias Puras II

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Propriedades das Substâncias Puras II
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Diagramas de Propriedades para Mudanças de Fase
O Diagrama T-v
É mais fácil entender as variações das propriedades em processos de mudança de fase com o auxílio dos diagramas de propriedades.
O processo de mudança de fase da água à pressão de 1 atm que foi estudado anteriormente foi traçado em um diagrama T-v.
O Diagrama T-v
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O Diagrama T-v
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Se forem adicionados pesos sobre o pistão até que a pressão dentro do cilindro seja de 1 MPa, a água apresentará um volume específico menor.
O Diagrama T-v
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À medida que o calor é transferido para a água nessa nova pressão, o processo segue uma trajetória que se parece muito com a trajetória do processo à pressão de 1 atm.
O Diagrama T-v
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O Diagrama T-v
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Há algumas diferenças importantes:
Nessa pressão a água começa a ferver a uma temperatura bem mais alta (179,9°C);
O volume específico do líquido saturado é maior que os valores correspondentes à pressão de 1 atm.
O volume específico do vapor saturado é menor que os valores correspondentes à pressão de 1 atm.
Assim, a linha que conecta os estados de líquido e vapor saturado é menor.
O Diagrama T-v
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Quanto mais a pressão aumenta, menor fica essa linha (linha de saturação).
Ela diminui até que se torna um ponto, quando a pressão atinge 22,06 MPa (para a água).
Esse ponto é chamado de ponto crítico.
Ponto no qual os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos.
O Diagrama T-v
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A temperatura, a pressão e o volume específico de uma substância no ponto crítico são chamados de:
Temperatura crítica (Tcr,H2O = 373,95°C);
Pressão crítica (Pcr,H2O = 22,06 Mpa);
Volume específico crítico (Vcr,H2O = 0,003106 m³/kg).
As propriedades críticas de diversas substâncias são apresentadas em tabelas.
O Diagrama T-v
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Processos de mudança de fase com pressões acima da pressão crítica, não são identificáveis.
O Diagrama T-v
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Ao invés disso, o volume específico da substância aumenta continuamente, sempre existindo uma única fase presente.
A partir de um determinado momento, ela se parecerá com vapor, mas nunca se pode dizer quando a mudança ocorreu.
O Diagrama T-v
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Acima do estado crítico não existe uma linha separando a região de líquido comprimido da região de vapor superaquecido.
Costuma-se chamar a substância de vapor superaquecido a temperaturas acima da temperatura crítica.
Costuma-se chamar a substância de líquido comprimido a temperaturas abaixo da temperatura crítica.
O Diagrama T-v
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Os estados de líquido saturado podem ser ligados por uma linha chamada linha de líquido saturado.
Os estados de vapor saturado podem ser ligados por uma linha chamada linha de vapor saturado.
Ambas se encontram no ponto crítico formando uma curva.
O Diagrama T-v
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O Diagrama T-v
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Todos os estados de líquido comprimido estão localizados na região à esquerda da linha de líquido saturado (região de líquido comprimido).
Todos os estados de vapor superaquecido estão localizados na região à direita da linha de líquido saturado (região de vapor superaquecido).
Os estados que contêm ambas as fases estão na região de mistura líquido-vapor saturada.
O Diagrama T-v
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Diagramas de Propriedades para Mudanças de Fase
O Diagrama P-v
A forma geral do diagrama P-v de uma substância pura é muito parecida com o diagrama T-v, mas as linhas de T constante desse diagrama apresentam uma tendência descendente.
O Diagrama P-v
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O Diagrama P-v
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Considera-se novamente o arranjo pistão-cilindro com água líquida a 1 MPa e 150°C.
Nesse estado a água se encontra no estado de líquido comprimido.
Agora os pesos na parte superior do pistão são removidos para que a pressão reduza gradativamente.
O Diagrama P-v
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A água pode trocar calor com a vizinhança, de modo que sua temperatura permaneça constante.
À medida que a pressão diminui, o volume da água aumenta ligeiramente.
Quando a pressão atinge o valor de saturação à temperatura especificada (0,4762 MPa), a água começa a ferver.
O Diagrama P-v
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Durante esse processo de vaporização, a temperatura e a pressão permanecem constantes, mas o volume específico aumenta.
Após a última gota de líquido se transformar em vapor, uma redução na pressão resulta em um aumento do volume específico.
O Diagrama P-v
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Observa-se que durante o processo de mudança de fase, não se remove nenhum peso.
Se algum peso fosse removido, isso ocasionaria uma queda de pressão e, consequentemente, de temperatura. 
Tsat=f (Psat).
Assim, o processo não seria mais isotérmico.
O Diagrama P-v
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Quando o processo se repete para outras temperaturas, trajetórias semelhantes são obtidas para os processos de mudança de fase.
Conectando os estados de líquido e vapor saturados com uma curva, obtém-se o diagrama P-v de uma substância pura.
O Diagrama P-v
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O Diagrama P-v
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Diagramas de Propriedades para Mudanças de Fase
Inclusão da Fase Sólida
Os diagramas P-v e T-v contêm apenas as fases líquida e vapor.
Os princípios básicos para mudanças de fase líquido-vapor podem ser aplicados aos processos de mudança de fase sólido líquido e sólido-vapor.
Inclusão da Fase Sólida
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A maioria das substâncias se contrai durante o processo de solidificação.
Outras, como a água, se expandem à medida que congelam.
Dois diagramas P-v (para ambos os tipos de substâncias) são traçados obedecendo essa condição.
Diferem apenas na região de saturação sólido-líquido.
Inclusão da Fase Sólida
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Inclusão da Fase Sólida
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Sob determinadas condições, todas as três fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio.
Inclusão da Fase Sólida
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Nos diagramas P-v ou T-v, esses estados de fases triplas formam uma linha chamada linha tripla.
Os estados sobre a linha tripla têm a mesma pressão e temperatura, mas têm volumes específicos diferentes.
As linhas triplas aparecem como um ponto nos diagramas P-T.
Portanto muitas vezes são chamadas de ponto triplo.
Inclusão da Fase Sólida
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Inclusão da Fase Sólida
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Para a água, a temperatura e a pressão do ponto triplo são de 0,01°C e 0,6117 kPa.
Todas as três fases coexistem apenas se esses valores forem exatos.
Nenhuma substância pode existir na fase líquida em equilíbrio estável a pressões abaixo da pressão do ponto triplo.
Entretanto, as substâncias a altas pressões podem existir na fase líquida a temperaturas abaixo da temperatura do ponto triplo.
Inclusão da Fase Sólida
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A água não pode existir na forma líquida em equilíbrio à pressão atmosférica em temperaturas abaixo de 0°C.
Porém pode existir como um líquido a -20°C se a pressão for de 200 MPa.
Inclusão da Fase Sólida
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Existem duas formas pela qual uma substância sai da fase sólida para a de vapor:
Transformando-se em líquido, para depois evaporar;
Evaporar diretamente sem derreter.
Isso ocorre a pressões abaixo do valor do ponto triplo, já que uma substância pura não pode existir na fase líquida nessas pressões.
Inclusão da Fase Sólida
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Existem duas formas pela qual uma substância sai da fase sólida para a de vapor:
Transformando-se em líquido, para depois evaporar;
Evaporar diretamente sem derreter.
Isso ocorre a pressões abaixo do valor do ponto triplo, já que uma substância pura não pode existir na fase líquida nessas pressões.
Inclusão da Fase Sólida
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A passagem direta da fase sólida para a fase de vapor é chamada de sublimação.
Para as substâncias que têm a pressão do ponto triplo acima da pressão atmosférica, como o CO2 sólido (gelo seco), a sublimação é a única forma de mudar da fase de sólido para a fase de vapor (em condições atmosféricas).
Inclusão da Fase Sólida
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Inclusão da Fase Sólida
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Diagramas de Propriedades para Mudanças de Fase
O Diagrama P-T
O diagrama P-T é freqüentemente chamado de diagrama de fase, pois as três fases são separadas umas das outras por três linhas.
A
linha de sublimação separa as regiões de sólido e vapor;
A linha de vaporização separa as regiões de líquido e vapor;
A linha de fusão separa as regiões sólida e líquida.
O Diagrama P-T
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O Diagrama P-T
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Essas três linhas se encontram no ponto triplo, onde todas as três fases coexistem em equilíbrio.
A linha de vaporização termina no ponto crítico.
Já que não é possível fazer nenhuma distinção entre as fases de líquido e vapor acima do ponto crítico.
A diferença entre as substâncias que se expandem ou se contraem na solidificação se dá pela linha de fusão.
O Diagrama P-T
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Diagramas de Propriedades para Mudanças de Fase
A Superfície P-v-T
Pode-se representar o comportamento P-v-T de uma substância como uma superfície no espaço.
A Superfície P-v-T
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Pode-se representar o comportamento P-v-T de uma substância como uma superfície no espaço.
A Superfície P-v-T
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T e v podem ser visualizados como variáveis independentes (a base) e P como a variável dependente (a altura).
Todos os pontos da superfície representam estados de equilíbrio.
Todos os estados ao longo do percurso de um processo quase estático estão sobre a superfície P-v-T.
Já que tal processo deve passar através de estados de equilíbrio.
A Superfície P-v-T
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As regiões de fase única aparecem como superfícies curvas na superfície P-v-T.
As regiões de duas fases aparecem como superfícies perpendiculares ao plano P-T.
Isso era esperado, uma vez que projeções de regiões de duas fases do plano P-T são linhas.
Sobre as linhas do diagrama P-T tem-se mudança de fases.
A Superfície P-v-T
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Todos os diagramas bidimensionais discutidos anteriormente são projeções dessa superfície tridimensional nos planos apropriados.
Diagrama P-v: Projeção da superfície P-v-T no plano P-v;
Diagrama T-v: Projeção da superfície P-v-T no plano T-v;
Diagrama P-T: Projeção da superfície P-v-T no plano P-T.
A Superfície P-v-T
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As superfícies P-v-T apresentam uma grande quantidade de informações simultaneamente.
Porém, em uma análise termodinâmica, é mais conveniente trabalhar com diagramas bidimensionais, como os diagramas P-v e T-v.
A Superfície P-v-T
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