DIAGRAMA DE FASES. Ex.: diagrama de fases da água (H 2 O)

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1 óico.5 DIAGRAMA DE FASES Diagrama de Fases Ex.: diagrama de fases da água (H O) Denomina-se diagrama de fases de uma substância o gráfico x que define o estado de agregação dessa substância em função dessas grandezas. 1. SUBSÂNCIA DE COMORAMENO NORMAL É aquela que aumenta de volume na fusão. Ex.: a maioria das substâncias. OBSERAÇÕES onto rilo ou rílice (): é caracterizado or um valor de ressão ( ) e de temeratura ( ) sob os quais uma substância ode coesistir nos estados sólido, líquido e gasoso(vaor). Exemlo: onto trilo da água = 4,58mmHg e =,98ºC. onto Crítico (C): é caracterizado ela temeratura ( C ) que determina se um coro gasoso está sob forma de vaor ou gás. aor: estado gasoso que, or simles comressão isotérmica, se liquefaz. A sua temeratura deve ser menor que C. Ex.: Diagrama de fases do dióxido de carbono (CO ) Gás: estado gasoso que, or simles comressão isotérmica, não se liquefaz. A sua temeratura deve ser maior que C. ressão máxima de vaor ( máx ): é a ressão medida em um reciiente que está saturado de vaor. Este vaor é chamado de vaor saturante e não obedece as leis dos gases erfeitos. ressão arcial do vaor (): é a ressão medida em um reciiente que não está saturado de vaor. 3. HIGROMERIA: UMIDADE RELAIA DO AR (U REL ). SUBSÂNCIA DE COMORAMENO ANÔMALO É aquela que diminui de volume na fusão. Ex.: água, ferro, bismuto e antimônio. Estuda a quantidade de vaor d água existente no ar. A umidade relativa do ar em um ambiente é definida como sendo a razão entre a ressão arcial do vaor e a ressão máxima de vaor nesse ambiente. U rel máx U rel % = U rel x 1% U rel = % não há vaor d água no ambiente (ar seco) U rel = 1% o ambiente está saturado com vaor d água (interior de sauna) 4. SOBREFUSÃO OU SUERFUSÃO Estado em que uma substância se encontra no estado líquido abaixo de sua temeratura de solidificação.

2 A sobrefusão é um estado metaestável, ou seja, em que existe aarentemente equilíbrio, mas a há uma assagem muito lenta ara outro estado. Uma simles agitação, ou mesmo a introdução de uma equena orção sólida, erturba o fenômeno e rovoca uma brusca solidificação arcia ou total do líquido. A temeratura eleva-se até o onto de solidificação. Essa elevação de temeratura é rovocada elo calor liberado ela arte do líquido que se solidifica (a solidificação é uma transformação exotérmica). eja o gráfico que reresenta um resfriamento com suefusão: Onde: m.l S = M.c líq.( - S ) m é a massa solidificada; M é a massa total do do líquido; L S é o calor latente de solidificação; S é a temeratura de solidificação; é a temeratura de suerfusão. EXERCÍCIOS ROOSOS 1. (Fuvest/S) Enche-se uma seringa com equena quantidade de água destilada a uma temeratura um ouco abaixo da temeratura de ebulição. Fechando o bico, como mostra a figura A a seguir, e uxando raidamente o êmbolo, verifica-se que a água entra em ebulição durante alguns instantes (veja figura B). odemos exlicar este fenômeno considerando que: a) na água há semre ar dissolvido e a ebulição nada mais é do que a transformação do ar dissolvido em vaor. b) com a diminuição da ressão a temeratura de ebulição da água fica menor do que a temeratura da água na seringa. c) com a diminuição da ressão há um aumento da temeratura da água na seringa. d) o trabalho realizado com o movimento ráido do êmbolo se transforma em calor que faz a água ferver. e) calor esecífico da água diminui com a diminuição da ressão.. Quando assamos éter sobre a ele sentimos o local mais frio. Isto acontece or que: a) o éter está a uma temeratura mais baixa que a ele b) o éter está a uma temeratura mais baixa que o ar c) o éter é muito volátil d) o éter absorve calor ara se vaorizar e) o éter é um isolante térmico 3. (IA/S) Considere as seguintes afirmativas: I. Um coo de água gelada aresenta gotículas de água em sua volta orque a temeratura da arede do coo é menor que a temeratura de orvalho do ar ambiente. II. A névoa (chamada or alguns de "vaor") que sai do bico de uma chaleira com água quente é tanto mais ercetível quanto menor for a temeratura ambiente. III. Ao se fechar um "freezer", se sua vedação fosse erfeita, não ermitindo a entrada e a saída de ar de seu interior, a ressão interna ficaria inferior à ressão do ar ambiente. a) todas são corretas. b) somente I e II são corretas. c) somente II e III são corretas. d) somente I e III são corretas. e) nenhuma delas é correta. 4. (Unicam/S) No Rio de Janeiro (ao nível do mar), uma certa quantidade de feijão demora 4 minutos em água fervente ara ficar ronta. A tabela adiante fornece o valor da temeratura da fervura da água em função da ressão atmosférica, enquanto a gráfico fornece o temo de cozimento dessa quantidade de feijão em função da temeratura. A ressão atmosférica ao nível do mar vale 76 mm de mercúrio e ela diminui 1 mm de mercúrio ara cada 1 m de altitude. emeratura de fervura da água em função da ressão ressão em. ressão em. (mmhg) (ºC) (mmhg) (ºC)

3 a) Se o feijão fosse colocado em uma anela de ressão a 88 mm de mercúrio, em quanto temo ele ficaria ronto? b) Em uma anela aberta, em quanto temo o feijão ficará ronto na cidade de gramado (RS) na altitude de 8 m? c) Em que altitude o temo de cozimento do feijão (em uma anela aberta) será o dobro do temo de cozimento ao nível do mar 5. (UFF/RJ) Marque a oção que aresenta a afirmativa falsa: a) uma substância não existe na fase líquida quando submetida a ressões abaixo daquela de seu onto trilo b) a sublimação de uma substância é ossível se esta estiver submetida a ressões mais baixas que a do seu onto trilo c) uma substância só ode existir na fase líquida se a temeratura a que estiver submetida for mais elevada que sua temeratura crítica d) uma substância não sofre condensação a temeraturas mais elevadas que sua temeratura crítica e) na Lua, um bloco de gelo ode assar diretamente ara fase gasosa 6. (Fuvest/S) Quando água ura é cuidadosamente resfriada, nas condições normais de ressão, ode ermanecer no estado líquido até temeraturas inferiores a C, num estado instável de "suerfusão". Se o sistema é erturbado, or exemlo, or vibração, arte da água se transforma em gelo e o sistema se aquece até se estabilizar em C. O calor latente de fusão da água é L = 8 cal/g. Considerando-se um reciiente termicamente isolado e de caacidade térmica desrezível, contendo um litro de água a -5,6 C, à ressão normal, determine: a) A quantidade, em g, de gelo formada, quando o sistema é erturbado e atinge uma situação de equilíbrio a C. b) A temeratura final de equilíbrio do sistema e a quantidade de gelo existente (considerando-se o sistema inicial no estado de "suerfusão" a -5,6 C), ao colocar-se, no reciiente, um bloco metálico de caacidade térmica C=4cal/ C, na temeratura de 91 C.

4 óico.6 Gases e ermodinâmica ERMODINÂMICA É o ramo da termologia que rocura estabelecer as condições de equilíbrio entre um sistema (uma amostra de gás, or exemlo), relacionando as quantidades de calor (Q) trocadas com a variação de energia interna ( U) e os trabalhos ( ) realizados durante o rocesso.. RABALHO ( ) ressão constante 1. QUANIDADE DE CALOR (Q) Nos tóicos anteriores as trocas de calor foram amlamente discutidas. amos aqui aenas relembrar a sua convenção de sinais. Q > : O sistema (gás) recebe calor; Q < : O sistema (gás) erde calor; Q = : O sistema (gás) não troca calor; (RANSFORMAÇAO ADIABÁICA) F d =.. ARIAÇÃO DE ENERGIA INERNA ( U) Energia Interna (U): é o somatório das energias cinéticas de translação, rotação e vibração das moléculas, da energia otencial de interação molecular e a energia dos elétrons. Não havendo mudança de estado, a energia interna é função exclusiva da temeratura absoluta. 3 U n.r. Onde: é a temeratura em Kelvin R é a constante universal do gás ideal (R =,8atm.L/mol.K = 8,31J/mol.K) n é o nº de mols U = U U OBSERAÇÕES massa n moléc. grama ou U 3 n.r. 1) emeratura aumenta Energia interna aumenta U > ) emeratura diminui Energia interna diminui U < Onde: é o trabalho em J é a ressão em N/m (=a) é a variação de volume em m 3 = OBSERAÇÕES 1) A equação =. só é válida se a ressão for constante. ) Se aumenta (exansão) > > F F O gás (sistema) realiza trabalho sobre o meio externo. 3) Se diminui (contração) < < F F O meio externo realiza trabalho sobre o gás (sistema). 4) Se constante = = (RANSFORMAÇAO ISOCÓRICA, ISOMÉRICA OU ISOOLUMÉRICA) 3) emeratura constante Energia interna constante U = 4) Numa mudança de estado, a temeratura não varia, mas a energia interna varia de acordo com a quantidade de calor que o sistema recebe ou erde; 5) A variação da energia interna não deende do rocesso, deende aenas das temeraturas inicial e final do rocesso.

5 3. DIAGRAMA X ressão Área olume N = Área x Como em uma transformação cíclica a temeratura de início do ciclo é igual a temeratura final do ciclo odemos concluir que: U CICLO = Da 1ª Lei da termodinâmica temos que: U CICLO = Q CICLO - CICLO Q CICLO = CICLO Na exansão e > Na contração e < 6. ESUDO DOS GASES ressão ressão a) Equação de Claeyron. = n. R. Área olume v v A equação =. só é válida ara constante, mas o cálculo do trabalho através da área do diagrama x não tem restrições, ou seja, ode ser utilizado tanto ara constante como ara variável. 4. RIMEIRA LEI DA ERMODINÂMICA Reresenta o rincíio da conservação da energia ara sistemas termodinâmicos. rabalho Área v v Q = + U olume Onde: é a ressão é o volume é a temeratura em Kelvin R é a constante universal do gás ideal (R=,8atm.L/mol.K=8,31J/mol.K) n é o nº de mols massa n moléc. grama b) Lei Geral do Gás erfeito (L.G.G.) 7. RANSFORMAÇÕES GASOSAS ARICU- LARES a) Isobárica Calor (Q) U U = Q - constante variável variável U 5. RANSFORMAÇÕES CÍCLICAS L.G.G.. : 1 1 B C N CICLO = Área 1ª Lei da termodinâmica: U = Q - Área CICLO CICLO > OBSERAÇÃO A D CICLO < Q = m.c. onde c é o calor esecífico a ressão constante. m Como n m n. M daí temos que: M Q = n.m.c. onde M.c é o Calor Molar a ressão constante(c ) C = M.c, e então:

6 Gráficos Gráficos Gráfico x Gráfico x Gráfico x Gráfico x ( ºC ou K) ( ºC ou K) Gráfico x Gráfico x ( K ) - 73 ( ºC ) ( K ) - 73 ( ºC ) b) Isocórica, Isométrica ou Isovolumétrica constante = variável variável U 1ª Lei da termodinâmica: U = Q - como = c) Isotérmica constante U = variável variável 1ª Lei da termodinâmica: U = Q - como U = = Q U = Q Recebe Calor (Q > ) Aumenta emeratura ( U > ) e ressão. erde Calor (Q < ) Diminui emeratura ( U < ) e ressão. Recebe Calor (Q > ) Aumenta olume (exansão > ) e diminui ressão EXANSÃO ISOÉRMICA. erde Calor (Q < ) Diminui olume (contração < ) e aumenta ressão (comressão) CONRAÇÃO ou COMRESSÃO ISOÉRMICA. L.G.G.. : 1 1 L.G.G.. : Gráficos 1. 1 =. OBSERAÇÃO Gráfico x Gráfico x Q = m.c. onde c é o calor esecífico a volume constante. m Como n m n. M daí temos que: M Q v = n.m.c v. onde M.c é o Calor Molar a volume constante(c v ) C v = M.c v, e então: ( ºC ou K) ( ºC ou K) Q v = n.c v.

7 Gráfico x Gráfico x Adiabática 1 e são isotermas A B As curvas 1 e são hiérboles equiláteras chamadas de ISOERMAS de temeraturas resectivamente iguais a 1 e. > 1 ois quanto maior o roduto., maior a temeratura d) Adiabática 1 É uma transformação gasosa em que o gás não troca calor com o meio externo (Q = ). Isso ocorre em transformações gasosas ráidas ou em sistemas termicamente isolados. 1ª Lei da termodinâmica: OBSERAÇÕES 1) A curva adiabática é uma curva exonencial, caracterizada ela equação: 1. = K Onde: coeficiente de oisson K é uma constante; C C v U = Q - como Q = U = ) Em uma transformação adiabática, entre dois estados A e B, vale a relação: Aumenta olume (exansão > ) Diminui emeratura ( U < ) e ressão EXANSÃO ADIABÁICA. Diminui olume (contração < ) Aumenta emeratura ( U > ) e ressão (comressão). CONRAÇÃO ou COMRESSÃO ADIABÁICA. A. A = B. B 3) Nas transformações isotérmicas = 1 e a curva é uma hiérbole. 4) C C = R é a Relação de Mayer onde C > C. EXERCÍCIOS ROOSOS 1. Um sistema gasoso assa de um estado A ara um outro estado B. Nesse rocesso, ele troca calor e trabalho com a sua vizinhança. Adote 1cal=4J e calcule a variação da energia interna do sistema nos seguintes casos: a) O sistema absorve calorias de calor e realiza um trabalho de 3J. b) O sistema absorve calorias de calor e um trabalho de 3J é realizado sobre ele. c) O sistema cede calorias de calor e um trabalho de 3J é realizado sobre ele.. (UFE/E) Um gás ideal realiza o rocesso ABC indicado no diagrama, abaixo. Na transformação isotérmica BC, onde a temeratura ermanece constante, o gás absorve 1,4 1 5 J de calor. Qual o trabalho total realizado elo gás, em joules, durante a transformação ABC?

8 à resença de um êmbolo que ode deslizar sem atrito, como mostra a figura a seguir. 3. Um gás sofre a transformação cíclica ABCA, indicada no gráfico a seguir. Calcule a quantidade de calor fornecida ela fonte, em um segundo, ara que a temeratura do gás não se altere. Considere g=1m/s e que êmbolo, de massa igual a kg, movimenta-se verticalmente ara cima, com velocidade constante e igual a,4m/s. 6. (Unicam/S) Um mol de gás ideal sofre transformação ABC indicada no diafragma ressão x volume da figura a seguir. A variação da energia interna e o trabalho realizado elo gás, valem, resectivamente: a) J e J b) J e 8, x 1 J c),5 x 1 J e 1,5 x 1 3 J d) 8, x 1 J e J e) 8,5 x 1 J e 8, x 1 J 4. O gráfico reresenta uma transformação AB sofrida or 1, mol de um gás ideal. 3 (1 4 N/m ) 4 (L) Sendo a constante universal do gás ideal 8,3J/mol.K, determine: a) as temeraturas do gás nos estados A e B; b) as energias internas dos estados A e B; c) a variação da energia interna na transformação AB; d) o trabalho realizado na transformação AB; e) a quantidade de calor trocada com o meio externo durante a transformação AB. 5. (UFG/GO) Um reciiente, em contato com uma fonte térmica, contém um gás ideal, confinado em seu interior devido a) qual é a temeratura do gás no estado A? b) Qual é o trabalho realizado elo gás na exansão AB? c) qual é a temeratura elo gás no estado C? Dado: R (constante dos gases) =,8 atm.l/mol.k = 8,3J/mol K 7. (UFMG/MG) Como conseqüência da comressão adiabática sofrida or um gás, ode-se afirmar que a) a densidade do gás aumenta, e sua temeratura diminui. b) a densidade do gás e sua temeratura diminuem. c) a densidade do gás aumenta, e sua temeratura ermanece constante. d) a densidade do gás e sua temeratura aumentam. e) a densidade do gás e sua temeratura ermanecem constantes. 8. (UEL/R) Considere as roosições a seguir sobre transformações gasosas. I. Numa exansão isotérmica de um gás erfeito, sua ressão aumenta. II. Numa comressão isobárica de um gás erfeito, sua temeratura absoluta aumenta. III. Numa exansão adiabática de um gás erfeito, sua temeratura absoluta diminui. ode-se afirmar que aenas a) I é correta. b) II é correta. c) III é correta. d) I e II são corretas. e) II e III são corretas.

9 9. (Mackenzie/S) Com relação às transformações sofridas or um gás erfeito, assinale a alternativa INCORREA. a) Na transformação adiabática, a variação de energia cinética das moléculas é nula b) Na transformação isobárica, não há variação da ressão do gás. c) Na transformação isotérmica, a energia cinética média das moléculas não se altera. d) Na transformação adiabática, não há troca de calor com o meio exterior. e) Na transformação isotérmica, há troca de calor com o meio exterior. 1. (UFMG/MG) O gráfico da ressão em função do volume de um gás ideal reresenta uma transformação cíclica ocorrida em três fases. Inicia-se o ciclo or uma transformação isobárica, seguida de uma transformação isovolumétrica e finalmente, de uma transformação isotérmica. kcal de calor e realize 15kcal de trabalho, e julgue os seguintes itens. (1) Se, na assagem do estado A ara o estado B, o caminho seguido for ADB e o trabalho realizado for igual a 5kcal, a quantidade de calor recebida elo sistema será igual a 3kcal. () Se, na assagem do estado B ara o estado A, ao longo da curva BA, o sistema realizar 1kcal de trabalho, então ele liberará 35kcal de calor. (3) Se a energia interna, no estado A, é igual a zero e, no estado D, igual a kcal, então o calor absorvido elo sistema, no rocesso DB, é igual a 5kcal. (4) Os trabalhos realizados elo sistema nos trajetos ACBA e ADBA são iguais. (5) O funcionamento dos istões (êmbolos) de uma locomotiva a vaor baseia-se em sucessivas transformações dos tios AC e CA. 1. (UFRJ/RJ) A figura reresenta, num gráfico ressão volume, um ciclo de um gás ideal. Com base nesses dados ode-se afirmar que a) o trabalho realizado na transformação isotérmica é calculado ela exressão 3 ( 1-3 ). b) o trabalho realizado elo gás é nulo durante a transformação isotérmica. c) o trabalho realizado elo gás na transformação isotérmica é igual ao calor que esse gás absorve. d) o trabalho realizado sobre o gás durante a transformação isovolumétrica é o mesmo que na transformação isobárica. e) o trabalho realizado sobre o gás, na transformação isovolumétrica, é maior do que o trabalho realizado elo gás na transformação isotérmica. 11. (UnB/DF) O calor, uma das mais imortantes formas conhecidas de energia, ode ser aroveitado de diversas maneiras: no aquecimento de ambientes ou de água; em usinas térmicas, ara a geração de energia elétrica; nas locomotivas a vaor, ara o transorte de assageiros e de carga; etc. Assim, devido à grande imortância da energia calorífica, desenvolveram-se diversos sistemas que ossibilitam a sua utilização. O diagrama adiante reresenta um desses sistemas. Considere que, na assagem do estado A ara o estado B, segundo a trajetória ACB, esse sistema receba 4 a) Calcule o trabalho realizado elo gás durante este ciclo. b) Calcule a razão entre a mais alta e a mais baixa temeratura do gás (em kelvin) durante este ciclo. 13. (Fuvest/S) Um cilindro contém uma certa massa M de um gás a = 7 ºC (8 K) e ressão. Ele ossui uma válvula de segurança que imede a ressão interna de alcançar valores sueriores a. Se essa ressão ultraassar, arte do gás é liberada ara o ambiente. Ao ser aquecido até = 77 ºC (35 K), a válvula do cilindro libera arte do gás, mantendo a ressão interna no valor. No final do aquecimento, a massa de gás que ermanece no cilindro é, aroximadamente, de: a) 1, M b),8 M c),7 M d),5 M e),1 M 14. (UFG/GO) Uma caixa térmica rígida e hermeticamente fechada contém um mol de ar a 7 ºC e 1 atm. Se 1 g de mercúrio a 37 ºC forem injetados na caixa, calcule a ressão e a temeratura do ar aós o equilíbrio térmico ter sido atingido. Desreze a caacidade térmica da caixa e a variação de volume do ar com a injeção do mercúrio. (Dados: calor molar do ar a volume constante = 1 J/mol K; calor esecífico do mercúrio líquido =,14 J/g K.) 15. (UFG/GO/7) ransformações termodinâmicas, realizadas sobre um

10 gás de número de mols constante que obedece à lei geral dos gases ideais, são mostradas na figura abaixo. As transformações I, II e III são, resectivamente, a) adiabática, isobárica e isotérmica. b) isobárica, adiabática e isotérmica. c) isotérmica, isobárica e adiabática. d) adiabática, isotérmica e isobárica. e) isotérmica, adiabática e isobárica. 5) 8J 6) a) 93 K; b) 6,1.1 J; c)93 K. 7) D 8) C 9) A 1) C 11) CCCEE 1) a) 1, 1-7 J; b) B / D = 4,5. 13) B 14) 147ºC e 1,4atm 15) A 16) 16. (UFG/GO/7) A figura abaixo mostra o comortamento de n mols de um gás ideal numa exansão adiabática AB entre as isotermas A e B. Dado: C C 5 3 Com base no gráfico, calcule: a) A ressão B. b) A temeratura B. GABARIO ÓICO.5.DIAGRAMA.DE.FASES 1) b; ) d; 3) a; 4) a) min; b) 6min; c) 1m; 5) c; 6) a) 7g; b) ºC; massa de gelo nula. ÓICO.6.GASES.E.ERMODINÂMICA 1) ),4.1 5 J 3) B; 4)