Calendário. Avaliação. [(A1+A2+A3)/3]0,7 + [(Σ Ex)/n]0,3

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2 Ementa 1 Conceitos básicos 2 Comportamento de gases 3 As leis da termodinâmica 3.1 A primeira lei da termodinâmica 3.2 A segunda lei da termodinâmica 3.3 Representação matemática das leis termodinâmicas 3.4 Relações matemáticas entre as leis termodinâmicas 4 Termodinâmica e as reações químicas 5 Equilíbrio 6 Compostos Simples 7 Soluções 8 Diagrama de equilíbrio regra das fases Diagramas de equilíbrio binário Diagramas de equilíbrio ternário 9 Diagrama de Ellingham 10 Outras aplicações

3 Calendário Avaliação [(A1+A2+A3)/3]0,7 + [(Σ Ex)/n]0,3

4 Material Didático Livro Texto Principal

5 Material Didático Textos específicos em Termodinâmica em materiais MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and Materials Science ; Departments of chemical engineering and materials science and engineering. GASKELL, David R.; Introduction to metallurgical thermodynamics. Mc Graw-hill book company. New York, 1981, 610p. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. Físico-Química, Uma aplicação aos materiais. Rio de Janeiro, 2002, 606p.

6 Material Didático Textos em Termodinâmica química ou Físico-Química ATKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de Janeiro, 1999, 251. SMITH, J.M.; Introdução à termodinâmica da Engenharia Química. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000, 697 Textos Diagramas de equilíbrio SEGADÃES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria e aplicação em cerâmica. Editora Edgard blucher LTDA. São Paulo, 1987, 184p. BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibria in ceramics. The American Ceramic Society Inc., Columbus, Ohio, 1984,156p.

7 Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade Estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz. Atualmente espectro bastante abrangente como ciência da ENERGIA relações entre as PROPRIEDADES da matéria. Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança Britânicos inventam ovo cozido "auto-cronometrado"

8 O que é termodinâmica? Termodinâmica esta associada ao estudo de formas de energia e como esta pode ser convertida em outras formas de energia e trabalho. Termodinâmica clássica: Tem seus conceitos focalizados na análise de propriedades macroscópicas do sistema e o estudo da relação entre estas propriedades. Baseia-se no estudo de fenômenos e na determinação empírica das relações de interesse. SISTEMA TRATADO COMO CONTÍNUO A termodinâmica clássica fornece as ferramentas físicas e matemáticas para determinar como as propriedades de um material serão alteradas em função de alterações do sistema. Termodinâmica estatística: Utiliza como ferramenta a descrição estatística do comportamento do sistema a parir do comportamento de cada átomo do sistema, individualmente. A termodinâmica estatística parte do princípio que conhecendo o comportamento do material a nível microscópico é possível prever suas propriedades macroscópicas.

9 O que é termodinâmica? Termodinâmica clássica X Termodinâmica estatística Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas.

10 Termodinâmica Energia - Materiais Comprimento de ligação Energia de Ligação Energia (E) F r F Comprimento de ligação r o Eo Energia de ligação r

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12 Termodinâmica Energia - Materiais Formação de defeitos

13 Termodinâmica Temperatura - Materiais Transformação de fase Diagrama de Equilíbrio

14 Termodinâmica Temperatura - Materiais Diagrama de Equlíbrio

15 SHS

16 Superfície

17 Superfície Água em vidro Mercurio em Vidro

18 Cientistas estudam as efervescentes cócegas no nariz provocadas pelas emanações aromáticas, característica excitante e inconfundível do seu encanto A QUÍMICA QUE ESTRUTURA AS BOLHAS DO CHAMPANHE

19 No CHAMPANHE, NOS VINHOS espumantes e nas cervejas, o dióxido de carbono ( CO 2 ) é o principal responsável pela formação de bolhas, originadas quando o levedo fermenta os açúcares, convertendo-os em moléculas de álcool e CO 2. A carbonatação industrial é a fonte da fermentação nas bebidas gasosas. Após o engarrafamento, estabelece-se um equilíbrio, de acordo com a lei de Henry, entre o CO 2 dissolvido no líquido e o gás que está no espaço sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a quantidade de gás dissolvida em um fluido é proporcional à pressão do gás com o qual está em Equilíbrio equilíbrio. Quando o recipiente é aberto, a pressão do CO 2 gasoso sobre o líquido cai abruptamente, rompendo o equilíbrio termodinâmico até então prevalecente. Como resultado, o líquido é supersaturado com moléculas de CO 2.

20 Para recuperar uma estabilidade termodinâmica correspondente à pressão atmosférica, as moléculas de CO 2 devem abandonar o fluido supersaturado. Quando a bebida é vertida em um copo, dois mecanismos permitem que o CO 2 dissolvido escape: a difusão do líquido através da superfície livre e a formação de bolhas. Mas, para que se agrupem em bolhas embrionárias, as moléculas dissolvidas de dióxido de carbono são forçadas a abrir caminho através das moléculas líquidas agregadas, que estão fortemente ligadas pelas forças de van der Waals (atração bipolar). Assim, a formação de bolhas é limitada por esta barreira de energia; para superá-la são necessárias taxas de supersaturação mais elevadas que as de bebidas carbonatadas.

21 Em líquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe, vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formação de bolhas, exige cavidades de gás preexistentes com raios de curvatura extensa o suficiente para superar a barreira de nucleação de energia e desenvolver-se livremente. Isto se dá porque a curvatura da interface da bolha acarreta um excesso de pressão no interior da bolsa de gás que é inversamente proporcional ao seu raio (de acordo com alei de Laplace).Quanto menor a bolha, maior o excesso

22 Resumo de termodinâmica As leis da termodinâmica: Fornecem as regras básicas que governam as relações entre variáveis de um sistema. De uma forma geral, são as restrições que a natureza impõe ao processo de transformação de energia. Definições termodinâmicas: São definidos parâmetros como capacidade calorífica, compressibilidade, coeficiente de expansão térmica, entalpia, energia livre de Helmoltz e energia livre de Gibbs. Variáveis termodinâmicas: O estado de um sistema é definido em função dos valores de algumas propriedades, ou variáveis do sistema. As diferentes variáveis que podem ser usadas para descrever este estado incluem energia, entropia, composição química, temperatura, pressão e volume.

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24 Resumo de termodinâmica Funções de estado: Está associado com variáveis onde o processo depende apenas das condições iniciais e finais, e independe da história do sistema. Relações matemáticas: Existem quatro relações que podem ser determinadas a partir de funções de estado. Estas relações são denominadas por relações de Maxwell. Condições de equilíbrio: Um sistema está em equilíbrio quando todas as suas propriedades são independentes do tempo e são função apenas de suas variáveis de estado. Deve-se tomar cuidado com esta definição já que em algumas situações a variação de uma propriedade com o tempo é muito lenta, podendo ser confundido com uma condição de equilíbrio.

25 Definições - Sistema Sistema : Refere-se à região macroscópica do universo definida e selecionada para análise. Pode ser de qualquer tamanho, podendo até ser considerado todo o universo como um sistema. VIZINHANÇA FRONTEIRA SISTEMA

26 Definições Tipos de Sistemas Aberto : É aquele em que existe troca de energia e troca de massa entre sistema e vizinhança fechado: É aquele em que existe troca de energia mas não existe troca de massa. Isolado: Sistemas onde não ocorre troca de material ou energia. Sistemas puros ou composto: Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância. Esta substância pode ser um elemento atômico (Silício) ou uma molécula (água pura). Multicomponentes apresentam várias substâncias. Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias fases. Reativo ou não reativo: sistemas reativos envolvem a formação ou dissociação de ligações químicas. Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é influenciado por energias diferentes da energia mecânica, química ou térmica.

27 Definições - Sistema Sistema : VIZINHANÇA FRONTEIRA SISTEMA SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE

28 Definições Função de estado Funções de estado: São variáveis ou propriedades de um sistema que são independentes da história do sistema, dependendo apenas do estado inicial e final do sistema. As funções de estado não dependem do processo pelo qual o sistema foi levado a este estado. EXEMPLO - Temperatura A B

29 Definições Função de estado (outra definição) Características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo. A B

30 Definições Estado Condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto. PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades. ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o tempo. CICLO TERMODINÂMICO: Seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.

31 Definições Variável de sistema Variáveis do sistema: Ao contrário das funções de estado, as variáveis do sistema são definidas apenas quando o processo que foi seguido para ir do estado A ao estado B é conhecido. Assim, a variável de processo é a variável que não é definida para estados de um sistema e tem sentido apenas quando se fala no movimento de um estado para outro. EXEMPLO - São variáveis de processo importantes o calor (Q) e o trabalho (W). Q 1 W1 Q 3 W 3 A Q 2 W2 B

32 Definições Variável intensiva x extensiva Variáveis intensivas: são aquelas que não dependem do tamanho do sistema e podem ser especificadas para qualquer ponto do sistema. Não são aditivas Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema. Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento. Exemplo: temperatura e pressão. Variáveis extensivas: são aquelas que não podem ser especificadas para um ponto particular e dependem do tamanho do sistema. Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido. Dependem do tamanho e extensão do sistema. Seus valores podem variar com o tempo. Exemplo: massa, energia, volume.

33 Quantidade Quantidade molar (X m )(V)- Propriedade extensiva (X) de uma substância dividido pela quantidade de matéria presente (n) EXEMPLO:volume molar massa molar Quantidade parcial molar (X i )(V)- Propriedade extensiva (X) de um sistema composto, em função da variação da quantidade de uma substância A presente. EXEMPLO:O volume parcial molar de uma substância A em uma mistura é a variação do volume da mistura provocada pela variação da quantidade do componente A (v A )

34 Fase e Substância Pura FASE Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física. Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa. Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor. Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma simples fase. SUBSTÂNCIA PURA É invariável em composição química e é uniforme. Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.

35 Unidades Tabela 1.1. Comparação SI e Sistema Inglês Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m Massa: 1 lbm = 0, kg Força : F= ma 1 N = 1 (kg) x 1 (m/s2) 1 lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2) 1 lbf = 4, N Tabela 1.4. SI Unidades - Prefixos

36 Unidades Tabela 1.5. Fatores de Conversão entre unidades SI e do Sistema Inglês