Termodinâmica - Substância Pura

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CAPÍTULO
Moran & Shapiro
Susbstância Pura Propriedades
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Substância Pura
É uma substância que tem composição química fixa, homogênea e invariável. 
Pode existir em mais de uma fase, mas a composição química é a mesma em todas as fases.
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Substância Pura
Pura significa “…de composição química uniforme e invariável (no entanto pode estar presente mais que um tipo de moléculas).” 
O AR nessa definição é considerado uma substância pura. 
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Substância Pura
Todas as substâncias com que vamos trabalhar são substâncias puras. 
Dessa forma utilizaremos apenas a palavra substância para se referir a uma substância pura. 
Um sistema simples significa um sistema cheio de uma substância pura.
Um sistema simples, um sistema puro.
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Substância Pura Exemplos 
Água (fases - sólida, líquida, e vapor)
Mistura de água líquida e vapor dágua
Dióxido de Carbono (CO2)
Nitrogênio (N2)
Misturas homogêneas de gases, como o AR, desde que não ocorra mudança de fases.
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Substância Pura Múltiplas fases
vapor
líquido
vapor
líquido
Água
Ar
Pura
Não pura. Diferentes temperaturas de condensação para diferentes componentes.
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Propriedades Termodinâmicas
Propriedades Extensivas.
Como m, U e V (volume) são dependentes do tamanho do sistema. 
Propriedades Intensivas.
 Como, u, v, T, and P (“p” ou “P” indistintamente) são independentes do tamanho do sistema. 
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Propriedades intrínsecas
Propriedades intrínsecas. 
São características do comportamento molecular da massa do sistema. Há uma dependência direta entre elas. 
Por exemplo. A temperatura da água em ebulição é função da pressão de saturação - T=f(P) 
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Questões importantes
Quantas propriedades são necessárias para definir o estado de um sistema? 
Como obtemos essas propriedades? 
Equações de Estado
Tabelas de Propriedades
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Postulado do Estado
Revisão
O número de propriedades intensivas independentes necessárias para caracterizar o estado de um sistema é n+1 
onde n é o número de modos relevantes de trabalhos em processos de quasiequilíbrio. 
Estaremos tratando apenas do trabalho de fronteira ou trabalho (p-dV).
O “1” é para transferência de calor (o Q do princípio da conservação de energia). 
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Postulado do Estado
Revisão
Isto é baseado em observações experimentais que mostram que existe apenas uma propriedade independente para cada modo pelo qual a energia do sistema pode variar de modo independente. 
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Postulado do Estado
Revisão
Modos relevantes de realizar trabalho. 
Produzem efeitos apreciáveis sobre o estado da substância se eles são alterados durante o processo. 
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Postulado do Estado
Revisão
Os efeitos dos campos elétrico, magnético e gravitacional natural da terra sobre a maioria dos processos são desprezíveis. 
Campos elétricos e magnéticos muito fortes precisam ser considerado como variáveis independentes. 
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Sistema Simples
Sistema Simples. 
Por definição é aquele (constituido por substância pura) para o qual apenas um modo de realizar trabalho se aplica.
Sistema compressível simples.
Sistema elástico simples.
Sistema magnético simples. 
Sistema eletrostático simples, etc.
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Trabalho
de quasiequilíbrio
Para o sistema compressível simples o trabalho é definido como:
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Relações PvT
Para um sistema simples:
			P = P(v,T)
			v = v(P,T)
			T = T(P,v)
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Equações de Estado
Equações utilizadas para relacionar propriedades são chamadas “Equações de Estado”. 
Para um sistema compressível simples, duas propriedades intensivas independentes caracterizam o Estado.
y0 = y(y1,y2), de forma genérica, ou 
P = P(v,T), v = v(P,T), e T = T(P,v) explícita
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“Lei” dos gases ideais Equação de estado
Ru = constante universal dos gases = 8,3144 (kJ/kmol-K)
M = massa molecular do gas em questão (kmol).
 l kmol de uma substância = l kg da substância
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Fases de uma Substância Pura
Uma substância pura existe em diferentes fases, dependendo no seu nível de energia. 
Fase Sólida – as moléculas estão arranjadas em um padrão tridimensional (3D) (lattice).
Fase Líquida – grupos de moléculas flutuam uns sobre os outros, mas mantem uma estrutura ordenada e uma posição relativa dentro de cada grupo. 
Fase Gasosa – movimento aleatório das moléculas e alto nível de energia. 
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Processo de Mudança de Fase
Líquido comprimido – não prestes a evaporar
Líquido saturado – prestes a evaporar
Mistura saturada de líquido e vapor – duas fases
Vapor Saturado – prestes para condensar
Vapor Superaquecido – não prestes para condensar
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Líquido comprimido
(Subresfriado)
Líquido Comprimido
A pressão está acima da pressão de saturação para a temperatura dada.
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Líquido Saturado
Líquido Saturado
A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada
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Mistura saturada de líquido e vapor
vapor
Líquido/Vapor
As duas fases coexistem nas mesmas pressão e temperatura
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Vapor Saturado
Vapor Saturado
A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada
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Vapor Superaquecido
Vapor Superaquecido
A temperatura é mais alta que a temperatura de saturação para a pressão dada
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Diagrama T-v 
1
Líquido comprimido
Mistura Saturada
2
Vapor Superaquecido
Processo Isobárico
 P = 1 atm
3
4
5
v
T, C
o
20
100
300
P2 = Psat = 1 atm
T2 = Tsat = 100 oC
P4 = Psat = 1 atm
T4 = Tsat = 100 oC
P3 = Psat = 1 atm
T3 = Tsat = 100 oC
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Líquido Comprimido
(Subresfriado)
Líquido comprimido (Subresfriado)
É a substância, que estando na fase líquida, não está no ponto de evaporar.
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Vapor Superaquecido
Vapor Superaquecido. 
É a substância que estando na fase gasosa não está a ponto de condensar. 
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Mudança de Fase
Mudança de Fase.
Durante esse processo a pressão e a temperatura são propriedades dependentes. 
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Temperatura e Pressão de Saturação
Tsat = Temperatura de Saturação. 
É a temperatura na qual ocorre a mudança de fase para uma pressão previamente estabelecida. 
Psat = Pressão de Saturação. 
É a pressão na qual ocorre a mudança de fase para uma temperatura previamente estabelecida. 
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Temperatura de Saturação
 Tsat = f (Psat)
p = 1atm = 101,3 kPa T = 100 C
p = 500 kPa T = 151,9 C
o
T e P são dependentes durante a mudança de fase.
Isso nos permite controlar a temperatura controlando a pressão (exemplo: panela de pressão). 
o
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Saturação
 Durante o processo de ebulição, as fases líquida e de vapor coexistem em equilíbrio. 
A fase líquida é chamada de líquido saturado. 
A fase vapor é chamada de vapor saturado. 
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Calor Latente
Calor Latente é a quantidade de energia absorvida ou liberada durante a mudança de fase.
Calor latente de fusão
solidificação/fusão =333,7 kJ/kg para H2O Psat = 1 atm
Calor latente de vaporização
ebulição/condensação =2257,1 kJ/kg para H2O Psat = 1 atm
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Diagrama T-v (Água)
Mudança de fase
Processos Isobáricos
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Diagrama T-v Substância Pura
v
Processos Isobáricos
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Diagrama P-v
Substância Pura
 
SUPERHEATED
v
Processos Isotérmicos
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Estados 
Crítico e Supercrítico
Estado crítico. 
É o estado caracterizado pelo encontro da linha de líquido saturado com a linha de vapor saturado. É o estado limite, além do qual o processo de vaporização não é distinguível. 
Estado super crítico. 
É o estado caracterizado por pressões e/ou temperaturas acima das críticas. 
Neste estado a transição de fase de líquido para vapor não é discreta, a substância se expande gradual e uniformemente da fase líquida para a fase vapor
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Ponto crítico
É o ponto no qual as linhas de líquido
saturado e vapor saturado se encontram. 
Se T  Tc or P  Pc não existe uma distinção clara entre as regiões de vapor superaquecido e líquido comprimido. 
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Ponto crítico
Um ponto para o qual T  Tc a transição líquido-vapor não é mais possível à pressão constante. 
Se T  Tc , a substância não pode ser liquefeita por maior que seja a pressão efetuada sobre ela. 
As substâncias nessas condições são muitas vezes referidas simplestmeste como “fluidos” e não como líquido ou vapor. 
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Pontos Críticos
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Mudança de Fase
Diagrama (P-T)
Curva de Vaporização
Curva de Sublimação
Região da Fase Sólida
Região da Fase Líquida
Curva de Fusão
Ponto Crítico
Região de vapor superaquecido
Ponto Triplo
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Diagrama de Fase (P-T) Substância Pura
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Diagrama (P-v) Substância que se contrai ao congelar
v
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Superfície (P-v-T) Substância que se contrai ao congelar
 
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Domo
The dome-shaped region encompassing the two-phase, vapor-liquid equilibrium region.
It is bordered by the saturated liquid line and the saturated vapor line, both of which end at the triple line and end at the critical point.
The region below the vapor dome is also called: saturated liquid-vapor region, wet region, two-phase region, or saturation region.
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Domo – região que engloba as duas fases – vapor e líquido em equilíbrio. 
Linha de vapor saturado
Linha de líquido saturado
Domo
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Diagrama (P-v) Substância que se expande ao congelar
v
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Superfície (P-v-T) Substância que se expande ao congelar
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A água se expande ao congelar!
O gelo flutua sobre a água (lagos, rios, oceanos, drinks, etc.).
Se a água contraisse ao congelar, o gelo iria para o fundo trazendo sérios problemas para a vida aquática. 
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Pressão atmosférica
O ar atmosférico é uma mistura de ar seco (umidade zero) e vapor d´água. 
Ar seco 
Vapor d´água
Ar atmosférico
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Umidade
Umidade – É o termo utilizado para se referir à presença de vapor d´água no ar (na atmosfera). 
Ar Seco – Não contém umidade. 
Ar saturado – contem a máxima quantidade possível umidade (vapor d´água) sem condensação. 
Essa máxima quantidade depende da temperatura. Maior temperatura – maior quantidade. 
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Ponto de Orvalho
Orvalho (dew) – filme (ou gotículas) de água condensada sobre superfícies. Geralmente ocorre em noites frias após dias quentes. 
A quantidade de vapor d´água no ar depende da temperatura. Maior temperatura (durante o dia) maior a quantidade de vapor d´água que o ar pode conter. 
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Umidade relativa
É uma espécie de índice de saturação do ar.
Ar seco : Φ = 0%
Ar saturado : Φ = 100%
Faixa de conforto térmico , Φ = 40% - 60%
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Ar saturado
Ar saturado – a quantidade de líquido que evapora é igual a quantidade de vapor que condensa. 
A secagem natural não ocorre quando o ar está saturado (Ф =100%). 
Quanto mais baixa a umidade relativa, mais rápida é a secagem.
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Ebulição e Evaporação
Ebulição – processo rápido de vaporização com formação de bolhas de vapor. 
Evaporação (difusão a partir de concentração alta para baixa concentração). Ocorre naturalmente quando a umidade relativa é menor que 100% (o ar não está saturado).