Atividade 3 - Diagrama de fases

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ATIVIDADE 3 
 
PARTE A 
 
a) Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC; Differential Scanning Calorimetry) 
 
DSC é uma técnica usada para estudar reações bioquímicas à medida que 
uma molécula transita de uma conformação para outra (o exemplo mais fácil é o 
ponto de fusão de uma amostra). Existem duas abordagens, fluxo de calor e DSCs 
com compensação de energia. 
A DSC de fluxo de calor opera alavancando duas "panelas" fechadas 
separadas. Uma panela contém o material da amostra e é colocada em um disco 
termoelétrico que foi cercado por um forno. É importante que o forno seja ativado 
(em termos de calor) a uma taxa consistente, uma vez que transfere calor através 
da panela para a amostra. A outra panela é mantida vazia, mas é aquecida pelo 
mesmo forno. Haverá uma diferença nas temperaturas das duas panelas, em 
função da capacidade térmica da amostra. E a partir daí, aproveitando o equivalente 
térmico da lei de Ohm (q = ΔT / R), é possível determinar o fluxo de calor. 
Na DSCs com compensação de energia é requerido o uso de duas panelas 
separadas, bem como dois aquecedores separados. Novamente, um terá a amostra 
e o outro não. Ao manter as duas panelas na mesma temperatura, haverá uma 
diferença na energia térmica necessária (devido à amostra em uma) e os 
pesquisadores podem medir e plotar essa diferença em função da temperatura e do 
tempo. 
 
 
Figura 1. Diagrama de DSC de fluxo de calor 
 
 
b) Calorimetria Diferencial de Temperatura (DTA; Differential Thermal Analysis) 
 
A DTA é uma técnica na qual a diferença de temperatura entre a amostra e 
um material de referência é monitorada em relação ao tempo ou temperatura 
 
enquanto a temperatura da amostra, em uma atmosfera especificada, é 
programada. 
 
 
 
Figura 2. Diagrama de DTA 
 
A amostra e a referência são colocadas simetricamente no forno. O forno é 
controlado por um programa de temperatura e as temperaturas de amostra e 
referência são alteradas. Durante este processo, um termopar diferencial é 
configurado para detectar a diferença de temperatura entre a amostra e a 
referência. 
Além disso, a temperatura da amostra é detectada pelo termopar no lado da 
amostra. 
 
 
Figura 3. Princípios de medição do DTA 
 
O gráfico (a) mostra a variação da temperatura do forno, a referência e 
mostra em função do tempo. 
O gráfico (b) mostra a mudança na diferença de temperatura (ΔT) em relação 
ao tempo detectado com o termopar diferencial. 
 
O sinal ΔT é chamado de sinal DTA. 
Materiais que não mudam na faixa de temperatura de medição (geralmente 
α-alumina) são usados ​​como referência. Quando o aquecimento do forno começa, a 
referência e a amostra começam a aquecer com um ligeiro atraso dependendo de 
sua respectiva capacidade calorífica, e finalmente aquecem de acordo com a 
temperatura do forno. O ΔT muda até que um estado estático seja alcançado após o 
início do aquecimento e, após atingir a estabilidade, atinge um valor definido que 
está de acordo com a diferença de capacidade de calor entre a amostra e a 
referência. O sinal no estado estático é conhecido como linha de base. 
Quando a temperatura aumenta e ocorre fusão na amostra, por exemplo, a 
elevação da temperatura como mostrado no gráfico (a) e o ΔT aumenta. Quando a 
fusão estiver completa, a curva de temperatura retorna rapidamente à linha de base. 
Nesse ponto, o sinal ΔT atinge seu pico, conforme mostrado no gráfico (b). A partir 
disso, podemos detectar a temperatura de transição da amostra e a temperatura de 
reação do sinal ΔT (sinal DTA). 
No gráfico (b), a diferença de temperatura devido à mudança endotérmica da 
amostra é mostrada como uma direção negativa e a diferença de temperatura 
devido à mudança exotérmica da amostra é mostrada como uma direção positiva. 
 
c) Termogravimetria (TG; Thermo-Gravimetry) 
 
A análise termogravimétrica é um método de análise térmica em que a massa 
de uma amostra é medida ao longo do tempo conforme a temperatura muda. Esta 
medição fornece informações sobre fenômenos físicos, como transições de fase, 
absorção e dessorção; bem como fenômenos químicos, incluindo decomposição 
térmica e reações de gás sólido (por exemplo, oxidação ou redução). 
TG/DTA é um método no qual a termogravimetria e a análise térmica 
diferencial são combinadas e medidas simultaneamente por um único aparelho. 
 
 
Figura 4. Diagrama do diferencial horizontal TG/DTA 
 
A Figura 4 mostra as barras de equilíbrio da amostra e a referência 
encontrada no forno. As massas da amostra e da referência são medidas 
separadamente pelas bobinas de acionamento calibradas com sensibilidade. A 
diferença de massa é enviada como um sinal TG. Ao medir a massa diferencial, os 
efeitos da expansão do feixe, fluxo de convecção e força de empuxo são 
 
cancelados. Desta forma, a medição termogravimétrica altamente sensível é 
alcançada. A medição da massa da amostra e a referência por bobinas de 
acionamento independentes permitem um ajuste elétrico fácil do desvio da linha de 
base do TG. 
Além disso, os termopares estão localizados em cada suporte, permitindo a 
saída de sinal DTA simultânea. Combinando o TG com a outra técnica de medição, 
uma variedade de informações pode ser obtida de uma amostra. Em particular, o 
instrumento de medição simultânea TG/DTA é o mais comum. 
 
REFERÊNCIAS 
 
● https://www.atascientific.com.au/a-short-guide-to-differential-scanning-calorim
etry-processes-and-technology/ 
● https://www.hitachi-hightech.com/global/products/science/tech/ana/thermal/de
scriptions/tg.html 
● https://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/contract-testing/methods/therm
ogravimetric-analysis/ 
● https://www.hitachi-hightech.com/global/products/science/tech/ana/thermal/de
scriptions/tg.html 
 
 
PARTE B 
 
1) 
 
2) a) Segundo o diagrama da Figura 1, a fase estável é a líquida. 
b) No ponto triplo as fases de equilíbrio são a sólida, gasosa e líquida. O 
ponto triplo ocorre para 4.58 torr de pressão e 0.0098 ​o​C. 
 
3) A água em Belo Horizonte ferve a 97 ​o​C porque encontra-se a uma altitude 
maior e portanto a pressão atmosférica é menor a 1 atm. Isto pode ser visto 
Sistema Número de Fases Graus de Liberdade F = C - P + 2 
Variáveis intensivas 
Independentes 
Região de Líquido 1 2 T e p 
Região de Sólido 1 2 T e p 
Região de Gás 1 2 T e p 
Equilíbrio L-G 2 1 T ou p 
Equilíbrio G-S 2 1 T ou p 
Equilíbrio S-L 2 1 T ou p 
Equilíbrio S-L-G 3 0 nenhuma 
 
no diagrama da Figura 1, marcando na linha de equilíbrio entre as fases 
líquida e gasosa, o ponto correspondente à temperatura de 97 ​o​C. 
 
4) a) Na região amarela a fase presente é a gasosa, na região verde a fase é 
sólida e na região azul a fase é líquida. 
b) A variância é 2, e as variáveis intensivas são T e p. 
c) No ponto triplo, que ocorre para pressão de 5.11 atm e temperatura de 
-56.4 ​o​C, as fases de equilíbrio são a sólida, gasosa e líquida. 
d) A 25°C e 1.0 atm, a fase estável é a gasosa. 
e) Se tem o CO​2(s) em equilíbrio com o CO​2(g)​, a 1.0 atm, para uma 
temperatura de -78.5 ​o​C. 
g) A menor pressão necessária para observar o CO​2​ líquido é 5.11 atm. 
h) Na temperatura de 25°C, a pressão é de 68.27 atm aproximadamente. 
i) O ponto triplo é o lugar do diagrama onde ocorrem 3 fases ao mesmotempo, dadas algumas condições específicas para temperatura e pressão. No caso 
do CO​2​ ocorre para pressão de 5.11 atm e temperatura de -56.4 ​o​C. 
 
5) Alternativa (a). 
 
6) Alternativa (b). 
 
7) a) O feijão ficaria pronto em 19 mins aproximadamente. 
b) O feijão ficará pronto na cidade de Gramado (RS) em uma hora (60 mins). 
c) O cozimento do feijão será o dobro do tempo de cozimento ao nível do 
mar, a uma altitude de 1200 m. 
 
8) A mistura não é homogênea dado que a solução é supersaturada, pois 0.50 g 
em 100 mL é equivalente a 5.0 g em 1 L, e a solubilidade é de 3.0 g em 1 L. 
 
9) O coeficiente de Solubilidade é equivalente a 45 g/150 g para 10 ​o​C, então se 
precipitam 25 g de sal. 
 
10) Alternativa (c).