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1 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia Professor:Professor: Francisco MouraFrancisco Moura Bibliografia:Bibliografia: HimmelblauHimmelblau, David M. e , David M. e RiggsRiggs, James B.; Engenharia , James B.; Engenharia QuQuíímica mica -- PrincPrincíípios e Cpios e Cáálculos, 7lculos, 7aa ed., Editora LTC, 2006.ed., Editora LTC, 2006. IntroduIntroduçção aos Processos Quão aos Processos Quíímicosmicos 2 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Propriedades dos Gases “Gás é um conjunto de moléculas (ou átomos) em movimento permanente e aleatório, com velocidades que aumenta quando a temperatura se eleva”. Obs.: O gás tem as moléculas muito separadas umas das outras, exceto durante colisões, movendo-se em trajetórias não perturbadas por forças intermoleculares. � Estados dos gases O estado de uma gás puro é definido pelo volume (V) que ocupa, pela quantidade de substância (no de moles, n), pressão (p) e temperatura (T). V, n, p,T – experimentalmente basta determinar 3 variáveis que a quarta fica também determinada. Cada gás é descrito por uma equação de estado, que estabelece uma relação bem determinada entre as quatro variáveis. Forma geral de uma equação de estado: )n,V,T(fp = 3 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Leis empíricas dos gases tetanconsVp =⋅ V 1 p ∝Lei de Boyle: ou tetancons T V = TV ∝ Tp ∝ 00 00 15273 →⇒→ →⇒→ −→θ pKT VKT ouC, o Lei de Charles: ou ou 4 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Princípio de Avogadro: Volumes iguais de gases, nas mesmas condições de T e p, contém o mesmo número de moléculas. ( )ctesTepnV ∝ � Lei dos gases perfeitos Lei de Boyle: Lei de Charles: )p,T(Vp)p,T(Vp oo ⋅=⋅ o ooo T )p,T(V T )p,T(V = Substituindo: tem-se: T T )p,T(V p)p,T(Vp o oo o ⋅⋅=⋅ o ooo T )p,T(Vp T )p,T(Vp ⋅ = ⋅ ou tetancons T Vp T Vp o oo = ⋅ = ⋅ 5 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Cálculo da constante: K,CT oo 152730 == PammHgatmpo 1013257601 === mol m , mol L ,Vm 3 3 104142241422 −⋅== R Kmol J , , , T Vp = ⋅ = ⋅⋅ = ⋅ − 3148 15273 1041422101325 3 Kmol Latm , Kmol cal , Kmol mPa , Kmol J ,R ⋅ ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ = 082060987131483148 3 TRnVp ⋅⋅=⋅ e Volume molar nas CNTP Equação dos gases perfeitos ou ideais: 6 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c iaD e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.: Em um processo industrial, o N2(g) é aquecido a 500K em um vaso de volume constante. Se o gás entra a 100atm e 300K, qual será sua pressão nesta temperatura? 2 2 1 1 T p T p V Rn == ⋅ atmT T p p 167500 300 100 2 1 1 2 =⋅=⋅=Assim A pressão real exercida pelo N2(g) nestas condições é igual a 183atm (erro de aproximadamente 10% em assumir gás ideal). 7 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.: 100g de N2(g) está estocado em um recipiente a 23oC e 3 psig. Assumindo gás ideal, qual será o seu volume nesta condição? atm2,1 psi7,14 atm1 psia7,17 =⋅ L73 atm2,1 K29608206,0mol6,3 V Kmol Latm = ⋅⋅ = ⋅ ⋅ Assim: Assumindo pressão atmosférica igual: moles6,3 28 g100 n mol g == K29627323T =+= psia7,17Ppsia7,14Patm =∴= convertendo: e Ex.: O butano (C4H10) a 360oC e 3atm absoluta flui para dentro de um reator a uma taxa de 1100kg/h. Calcular a vazão em m3/h. h m 329 L1000 m1 atm3 K63308206,019000 V h kmol 19 58 1100 n 33 Kmol Latm h mol mol g h kg =⋅ ⋅⋅ = == ⋅ ⋅⋅ K633273360T =+= 8 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Modelo Cinético dos Gases Este modelo parte de três hipóteses simples e muito gerais. 1. O gás é constituído por partículas de massa m em movimento aleatório. 2. O tamanho das partículas é desprezível. (diâmetro das partículas << distância média percorrida entre duas colisões sucessivas) 3. As partículas não interagem entre si, exceto nas colisões perfeitamente elástica (energia de translação é conservada). 9 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Velocidade média e distribuição de velocidades das partículas As velocidades reais das partículas cobrem um amplo intervalo. ���� Freqüência de colisões Obs.: O modelo cinético dos gases vale se o diâmetro das partículas for muito menor do que o livre percurso médio (d<<λ). 10 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Misturas de gases Lei de Dalton: A pressão exercida por uma mistura de gases é a soma das pressões parciais destes gases. ∑=++= j jBA p...ppp V RTn p jj =e Ex.: Um vaso de volume de 10L contém 1 mol de N2 e 3 moles de H2 a 298K. Qual a pressão da mistura (gás ideal)? atm, , )( V RT nn( V RTn V RTn ppp )BA BA BA 789 10 298082060 4 = ⋅ =+=+=+= Frações molares: n n X jj = ...nnn Ba ++=onde 1=++ ...XX BA 1X0 j ≤≤e 250 4 12 2 ,n n X NN === 750 4 32 2 ,n n X HH ===e Exemplo acima: 11 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s Ma te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Pressões parciais: pXp jj ⋅= onde p é a pressão total da mistura. Ex.: a composição percentual em massa do ar seco é 75,5% de N2, 23,2% de O2 e 1,3% de Ar (argônio), qual a pressão parcial de cada componente se a pressão total é igual a 1 atm? mol g 02,28M 2N = mol g 00,32M 2O = mol g 952,39MAr =Dados: ; e Base de cálculo: massa total = gm 100= ; eg5,75m 2N = g2,23m 2O = g3,1mAr = ; e69,202,28 5,75 n 2N == 725,0 00,32 2,23 n 2O == moles033,095,39 3,1 nAr == moles45,3nnnn Ar2O2N =++= ; e780,0 45,3 69,2 X 2N == 210,045,3 725,0 X 2O == 0096,045,3 033,0 XAr == ; eatm780,0pXp 2N2N =⋅= atm210,0p 2O = atm0096,0pAr = 12 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Relações dos gases reais Para todos os gases: 1 TR VP lim 0P → ⋅ ⋅ → Quando a pressão tende a zero o comportamento de todos os gases pode ser descrito pelo do gás ideal. Os desvios são notáveis para pressões elevadas e temperaturas baixas, especialmente quando o gás está a ponto de se condensar em um líquido. ���� Fator de compressibilidade, Z TR Vp Z m ⋅ ⋅ = Mede o desvio da idealidade. 13 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Desenho esquemático das isotermas de um gás Abaixo de Tcr: compressão isotérmica até A (onde a pressão de vapor é a pressão de vapor saturada T3). Com o decréscimo ainda maior do volume, ocorre a condensação do vapor. No ponto B ocorre a condensação total do vapor. Acima de Tcr: as duas fases (líquido e vapor) não ocorrem em equilíbrio. Elas são separadas por uma fronteira onde as proprie- dades mudam abruptamente. Obs.: O vapor pode ser liquefeito (abaixo de Tcr) por uma compressão isotérmica e o gás (acima de Tcr) não pode. 14 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Equação de van der Waals Em 1873, J. H. van der Waals procurou adaptar a equação dos gases ideais para descrever o comportamento de um gás real. Ele adicionou duas constantes, uma devido ao fato das partículas ocuparem um volume finito (b) e outra devido as interações entre as partículas constituintes do gás (a). Assim: ( ) TRnbnV V na p 2 2 ⋅⋅=⋅−⋅ ⋅ + ou em termos de volume molar: ou: ou ainda: ( ) TRbV V a p m2 m ⋅=−⋅ + 2 mm V a bV TR p − − ⋅ = 0 p ba V p a V p TR bV m 2 m 3 m = ⋅ −⋅ +⋅ ⋅ −− 15 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Representação gráfica da equação de van der Waals Quando a temperatura aumenta e se aproxima de Tcr, ocorre uma aproximação entre as posições de máximo e mínimo (inflexão). Isto sugere que este ponto pode ser definido pelas seguintes equações: 2 crcr cr cr V a bV TR p − − ⋅ = 0 V a2 )bV( TR V p 3 cr 2 cr cr Tcr = ⋅ + − ⋅− = ∂ ∂ 0 V a6 )bV( TR2 V p 4 cr 3 cr cr T 2 2 cr = ⋅ − − ⋅⋅ = ∂ ∂ Resolvendo o sistema de equações, temos: ; eb3Vcr ⋅= Rb27 a8 Tcr ⋅⋅ ⋅ = 2cr b27 a p ⋅ = 16 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D ep a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Considere a isoterma T1 no gráfico p vs. V da equação de van der Waals. EDC: Não tem significado físico. BC: Vapor metaestável. FE: Líquido metaestável Fato ↓↑∴< ∂ ∂ Vp0 V p T Ex.: Estimar o volume molar do CO2 a 500K e 100atm. Foi determinado experimentalmente que a Tcr=304,2K e a pcr=72,9atm. Então, a=3,64atm.L2.mol-2 e b=0,0427 L.mol-1. Substituindo: 01055,1V0364,0V453,0V 3m 2 m 3 m =⋅−⋅+⋅− − Resolvendo: mol L 37,0V = Obs.: Nas mesmas condições o volume calculado pela equação dos gases ideais é 0,41L/mol. 17 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.: Separação do N2 e O2 do ar mol L Nmol Latm N mol L Omol Latm OKmol Latm ba baR 0391,0;390,1 03183,0;360,1;08206,0 2 2 2 2 2 2 2 2 == === ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Temperatura crítica = -118,5°C Temperatura crítica = -146,9°C Curvas de van der Walls para o nitrogênio e oxigênio. 18 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Curva de van der Walls para o nitrogênio e oxigênio em uma temperatura de 140K (entre as temperaturas críticas dos dois gases) Pode-se observar, que nesta temperatura, (140K) uma compressão isotérmica condensa oxigênio e o nitrogênio não. 19 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Outras equações de estado para gases reais (Para um mol de gás) Kammelingh-Onnes: ( )...P'DP'CP'B1TRVP 32m +⋅+⋅+⋅+⋅=⋅ ++++⋅=⋅ ... V D V C V B 1TRVP 3 m 2 mm m Holborh: 1 TR VP V0P m m → ⋅ ⋅ ∴ ∞→⇒→ Para ambas: Redlich-Kwong: Como qualquer equação de estado cúbica é capaz de representar tanto o comportamento do líquido quanto o do vapor. ( ) TRbV )bV(VT a P ,m mm , 2 1 ⋅=−⋅ + + c 5,2 c 2 P TR42748,0 a ⋅⋅ = c c P TR08664,0 b ⋅⋅ = 20 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos cr r p p p = cr m r V V V = cr r T T T = ���� Princípio dos estados correspondentes (variáveis reduzidas) ; e Obs.: Este gráfico mostra que todos os gases possuem comportamentos semelhantes e podem ser descritos pela mesma função de variáveis reduzidas. Todos os gases, quando comparados nas mesmas temperaturas reduzidas e pressões reduzidas, têm aproximadamente o mesmo fator de compressibilidade e desviam do comportamento do gás ideal aproximadamente da mesma forma. As variáveis reduzidas de um gás são os quocientes entre as coordenadas do gás e a coordenada crítica correspondente. 21 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to de C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos ���� Estimando a pressão de um gás real a partir do gráfico Z vs. Pr 1. Procurar os valores de temperatura crítica, Tcr e pressão crítica, Pcr da substância de interesse. Apêndices: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7a edição, Editora LTC, 2006. 2. Se o gás for o hidrogênio ou o hélio, determinar os ajustes dos parâmetro críticos a partir das fórmulas empíricas. K8TT cr a Cr += atm8PP cr a Cr +=e } Correções de Newton 3. Calcular os valores de duas variáveis reduzidas. ; e Cr r T T T = Cr r P P P = Cr mCrideal r TR VP V ⋅ ⋅ = Obs.: Todos os valores de temperatura e pressão utilizados devem ser absolutos. 4. Usar os gráficos de compressibilidade, Z vs. Pr, para determinar o fator de compressibilidade, Z. 22 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos 1. A partir da tabela de propriedades físicas. TCr= 126,2K e PCr= 33,5atm 2. Não é necessário, as correções de Newton são para o H2 e H2. 3. Cálculo das variáveis reduzidas. ; e0,2 K2,126 K)2736,20( T T T Cr r − +− == 16,0 K2,12608206,0moles100 atm5,33L5 TR VP V Kmol Latm Cr mCrideal r =⋅⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ 4. A partir dos gráficos de compressibilidade, Z vs. Pr. Ex.: 100 g-moles de N2 está acondicionado em um cilindro de 5 litros a - 20,6oC. Estimar a pressão no cilindro. 0,2Tr = 16,0V ideal r =Para e 77,1Z = atm733 05,0 K4,25208206,077,1 V TRZ P mol L Kmol Latm m = ⋅⋅ = ⋅⋅ = ⋅ ⋅ } Assim Z=1,77 e Pr= 23 (próximo slide) Outra forma (menos precisa): atm5,7705,3323PPP Crr =⋅=⋅= 23 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia Generalized compressibility chart, high pressures. 24 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Misturas Gasosas (maior parte dos casos práticos) Técnicas para calcular P-V-T de misturas de gases baseadas nas propriedades dos componentes puros. � Equação de van der Waals - Usando a lei de Dalton Para o componente A: 2 2 AA AA A A V na bnV TRn p ⋅ − ⋅− ⋅⋅ = 2 2 BB BB B B V na bnV TRn p ⋅ − ⋅− ⋅⋅ = ( )⋅⋅⋅+⋅+⋅− ⋅⋅⋅+ ⋅− + ⋅− ⋅⋅= 2BB 2 AA2 BB B AA A T nanaV 1 bnV n bnV n TRP Para o componente B: Pressão total: ⋅⋅⋅++= BAT ppP Obs.: A solução para PT é direta, mas para V e n não é tão simples. 25 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 2 2 V na ⋅ 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos - Usando a média das constante de van der Waals ∑ ⋅=⋅⋅⋅+⋅+⋅= = n Ai iiBBAAmistura bybybyb ∑ ⋅=⋅⋅⋅+⋅+⋅= = n Ai iiBBAA 2 1 2 1 2 1 2 1 mistura ayayaya TRnZVP M ⋅⋅⋅=⋅ Obs.: Estes métodos podem ser aplicados para outras equações de estado. � Média do fator de compressibilidade ZM= fator de compressibilidade médio ∑ = ⋅=⋅⋅⋅+⋅+⋅= n Ai iiBBAAM ZyZyZyZ 26 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m en to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Propriedades pseudo-críticas (regra de Kay) Temperatura pseudo-crítica: Pressão pseudo-crítica: Temperatura pseudo-reduzida: Pressão pseudo-reduzida: Volume ideal pseudo-reduzido: ⋅⋅⋅+⋅+⋅= BcrB A crA I cr TyTyT ⋅⋅⋅+⋅+⋅= BcrB A crA I cr PyPyP I cr I r P P P = I cr I r T T T = I cr I crmideal m,r T PV V ⋅ = E assim pode-se avaliar o valor Z como descrito anteriormente. Temperatura pseudo-reduzida: I cr I r T T T = 27 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Pressão de vapor Curva de pressão de vapor para a água Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. Transformação da água líquida para vapor a pressão contante Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. Transformação da água líquida para vapor a temperatura contante Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. JK: Sublimação LMNO: Fusão e vaporização Obs.: A pressão de vapor de uma espécie é a medida de sua volatilidade. 28 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos A relação entre a pressão de vapor de uma substância pura e temperatura é dada pela equação de Clausius-Clapeyron. )(Fase)(Fase β⇔α )T,p()T,p( βα µ=µ dpVdTSd mm ⋅+⋅−=µ dpVdTSdpVdTS m,m,m,m, ⋅+⋅−=⋅+⋅− ββαα dT)SS(dp)VV( m,m,m,m, ⋅−=⋅− αβαβ αβ αβ αβ αβ ∆ ∆ = − − = V S )VV( )SS( dT dp m,m, m,m, trsT H S αβ αβ ∆=∆ αβ αβ ∆⋅ ∆ = VT H dT dp Assim, mas então ou ou ainda mas Assim 29 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.: Equilíbrios da água . )L(Fase)S(Fase ⇔ [ ] ↓↑∴−= −⋅+ + ∆⋅ ∆ = Tp VT H dT dp fus fus )v(Fase)L(Fase ⇔ vap vap VT H dT dp ∆⋅ ∆ = Supondo gás perfeito e sabendo que p TR VVVV vvapLv ⋅ =≅∆∴>> 2 vap TR H dT plnd ⋅ ∆ = ou R H )T/1(d plnd vap∆−= B R H pln vap + ∆ −=ou ainda Normalmente, a pressão de vapor vs. temperatura é descrita pela equação empírica (equação de Antoine). Os valores de A, B e C são tabelados (Himmelbrau) B CT A plog + + −= 30 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Extrapolação de dados de pressão de vapor Sobre uma larga faixa de temperatura os dados experimentais apresentam uma leve curvatura, que pode ser linearizada através do gráfico de log(P) vs. Uma escala especial não linear da temperatura, construída a partir de dados de pressão de vapor da água - substância de referência (Gráfico de Cox). Gráfico de Cox (E.R. Cox, Ind. Eng. Chem., V. 15, p. 592 (1923). Fonte:Himmelblau, D. M. e Riggs, J. B. 666147Experimental 700150Estimada 678oF (359oC) 471oF (245oC) Pressão de vapor (psia) 31 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iên c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Estimando a pressão de vapor Caso não se encontre dados tabelados, pode-se estimar a pressão de vapor a partir de valores de temperatura de ebulição e crítica. -G. Miller, Journal of Physical Chemistry, V. 69, p. 3209 (1965). -J.C. McGowan, Rec. Trav. Chim., V. 84, p. 99 (1965) � Propriedades de Líquidos Existe uma considerável coleção de dados experimentais disponíveis para densidades de líquidos em função de temperatura e pressão. Caso não encontre dados tabelados, pode-se estimar estes valores. -P.I. Gold, Chem. Eng., p. 170 (Nov. 18, 1968) � Saturação Quando qualquer gás entra em contato com um líquido, o vapor do líquido passa a fazer parte do gás. Após algum tempo a pressão de vapor do líquido (vaporizado) será igual a pressão de vapor de equilíbrio (saturado) na temperatura do sistema. Neste ponto, os gás está saturado com o vapor do líquido. Este é o ponto de orvalho. 32 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Variação das pressões parciais (ar e água) e total durante a vaporização da água no ar a 147oC. Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. Ex.: Água e ar A pressão de vapor de equilíbrio da água a 147oF é de aproximadamente 180 mmHg. Obs.: Neste caso a pressão total é constante e portanto a pressão do ar cairá para 580 mmHg. 33 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Variação das pressões parciais (ar e água) e total durante a vaporização da água no ar a 147oC. Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. Obs.: Neste caso o volume é constante e portanto a pressão aumentará para 940 mmHg. 34 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Assumindo que a lei dos gases ideais se aplica para a água e o ar. A temperatura e volume constantes: A temperatura e pressão constantes: Então: Generalizando: OH ar OH ar 22 n n V V = OH ar OH ar 22 n n p p = arTotal ar arTotal ar OH ar VV V pP p p p 2 − = − = 2 1 1Total 1 1Total 1 2 1 2 1 V V VV V pP p n n p p = − = − == 35 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Se a temperatura da mistura ar-água aumenta e a pressão de vapor é inicialmente saturada, a variação nas pressões parciais do ar e da água, e a total pode ser observada abaixo. Variação das pressões parciais (água e ar) e total a volume constante. Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. Variação dos volumes parciais (água e ar) e total a pressão constante. Fonte:Himmelblau, David M. e Riggs, James B. 36 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c iaD e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.:Se 1250 cm3 de H2 úmido está saturado com água a 30oC e 742 mmHg, qual é o volume do gás seco na CNTP. A pressão de vapor da água a 30oC é 32 mmHg. 760 273 303 1196742 P T T VP V T VP T VP 0 0 1 H1 0,H 0 0,H0 1 H1 1,2 2 21,2 ⋅ ⋅ =⋅ ⋅ =⇒ ⋅ = ⋅ 2 2 2 2 2 2 H H HTotal H HTotal H V1250 V 710742 710 VV V pP p − = − ⇒ − = − 3 0,H cm1052V 2 = 3 H cm1196V 2 = a 30 oC e 742 mmHg na CNTP mmHg71032742p 2H =−= 37 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos � Saturação relativa (umidade relativa) � Saturação molal (umidade molal) � Saturação absoluta (umidade absoluta) osecgás i iT i m n n pP p U = − = 100 p p U o i i R ⋅= osecgás i osecgás o iT ii a m m MM)pP( MMp U = ⋅− ⋅ = Onde: PT é a pressão total da mistura pi é a pressão parcial do componente i MMi é a massa molecular do componente i MMgás seco é a massa molecular dos componentes seco é a pressão de vapor de equilíbrio do componente i o ip 38 D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia D e p a rt a m e n to d e C iê n c ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia d o s M a te ri a is e M e ta lu rg ia 3. Gases, Vapores, L3. Gases, Vapores, Lííquidos e Squidos e Sóólidoslidos Ex.:Durante o dia a 90oF a umidade relativa é de 80% (pressão barométrica igual a 738 mmHg) e a noite a temperatura cai para 68oF (pressão barométrica igual a 745 mmHg). Qual o percentual de água que é precipitado como orvalho a noite. 90oF UR=80% Patm=738mmHg 68oF Patm=745mmHg mmHg36)F90(p oov = mmHg5,17)F68(p oov = mmHg8,28 100 80 36pv =⋅= mmHg5,17 100 100 5,17pv =⋅= mmHg2,7098,28738par =−= mmHg5,7275,17745par =−= Base de cálculo (lb-mol = pi): 738 lb-mol de ar úmido orvalhocomooprecipitadvapordo%41100 8,28 7,11 orvalhocomooprecipitadvapordemollb7,111,178,28 vapormollb1,17 armollb5,727 armollb2,709 vapormollb5,17 =⋅ −=−∴ −= − − ⋅−
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