Capítulo 3: Propriedades de uma Substância Pura

Transcrição

1 Capítulo 3: Propriedades de uma Substância Pura Substância pura Princípio de estado Equilíbrio de fases Diagramas de fases

2 Substância Pura Substância pura é a aquela que tem composição química invariável e homogênea; Pode existir em uma ou mais fases mas com a mesma composição química em todas as fases; Exemplos: Nitrogênio (substância pura simples) Dióxido de carbono (substância pura composta) Água - fases sólida, liquida e gasosa; Uma mistura de diversos estados da água é considerada como sendo uma substância pura: líquido-gás, sólido-líquido e sólido-gás; Algumas misturas homogêneas de gases, desde que não ocorra mudança de sua fase gasosa.

3 Substância Pura Água Ar vapor vapor líquido substância pura líquido não é uma substância pura (diferentes temperaturas de condensação para diferentes componentes)

4 Princípio de estado O número de propriedades independentes requerido para especificar um estado termodinâmico de um sistema é: N + 1 onde N é o número de formas de trabalho reversível possíveis. Esta relação provém de observações experimentais.

5 Sistema simples compressível Um sistema simples é constituído por uma substância simples. Um exemplo destes é o sistema simples compressível. Neste, a tensão superficial, os efeitos magnéticos, elétricos, gravitacionais e cinéticos não são significantes. A única forma de trabalho reversível é aquela devido a uma variação de volume. Logo, só há uma forma de trabalho reversível: W = PdV

6 Sistema simples compressível O número de propriedades independentes será 2: N + 1, onde N = 1 (um trabalho reversível) Assim, o estado de um sistema simples compressível é determinado especificando-se duas propriedades independentes, como por exemplo: P = P (υ, T) υ = υ (P, T) T = T (P, υ)

7 E como se obtém estas propriedades? Equações de estado Tabelas de propriedades

8 Equação de estado As equações usadas para relacionar as propriedades são as chamadas Equações de estado. Um exemplo é a equação dos gases ideais: PV = n R T onde R = constante universal dos gases

9 Tabelas de propriedades Apresenta as propriedades termodinâmicas das substâncias mais comuns. Estas propriedades foram medidas e apresentam-se tabuladas em livros de propriedades termodinâmicas.

10 Equilíbrio de Fases (Vapor- líquido- Sólido) Como ocorre a transformação de fase de um sistema simples compressível?

11 Processo isobárico de aquecimento de água 1 Etapa - Aquecimento da massa de líquido: A temperatura sobe até o líquido começar a evaporar; O volume específico aumenta ligeiramente; 2 Etapa - Transformação de fase: A temperatura permanece constante enquanto o líquido se transforma em vapor; O volume específico aumenta significativamente; 3 Etapa - Aquecimento de vapor: Há o aumento da temperatura e do volume específico durante essa fase;

12 Água Líquida

13 Vapor d água Água Líquida

14 Vapor d água

15 Processo isobárico de aquecimento de água Vapor d água Vapor d água Água Líquida Água Líquida

16 Diagrama T - υ P 2 Etapa 3 Etapa 1 Etapa

17 Processo isobárico de aquecimento de água Repetindo o processo de aquecimento para diferentes pressões do sistema... Serão obtidos outros caminhos similares.

18

19

20 Região de saturação É a região em que ocorre uma mudança de fase da substância. Nesta região há um mistura de líquido e vapor (líquido e vapor coexistem em equilíbrio); As propriedades termodinâmicas são determinadas a partir das do líquido e do vapor saturado; As propriedades para esses pontos são obtidas nas tabelas de saturação; São representados pelo subscrito l e v, respectivamente; O subscrito lv representa a diferença entre a propriedade na fase líquida e na de vapor.

21 Região de saturação Quem define a fração mássica de vapor saturado em uma mistura líquido-vapor é uma propriedade intensiva chamada título (x), que é definido por: x = m m v t = m v m + v m l Quando o título for igual a 0: apenas líquido saturado está presente; Quando o título for igual a 1: apenas vapor saturado está presente.

22 Relações com o título (x) ) ν x(ν ν ν l v l + = l v v t v m m m m m x + = = t v l t m V V m V ν + = = t v t l t t v v l l m xm v x)m v (1 m v m m v ν + = + = ) h x(h h h l v l + = ) u x(u u u l v l + =

23 Nomenclatura da região de saturação Todas as propriedades nessa região são seguidas do termo saturação: Temperatura de saturação, pressão de saturação, etc; Além da saturação líquido-gás, a outras como: Sólido-líquido; Sólido-gás; Na disciplina, trataremos mais da saturação líquido-gás.

24 Composição da mistura: fração de gás + fração de líquido

25

26 Região de saturação Tsat = f (Psat) P = 1atm = 101,3 kpa, T = 100 C P = 500 kpa, T = 151,9 C T e P são propriedades dependentes durante a mudança de fase. Neste caso, pressão e volume específico ou pressão e título serão necessários para especificar o estado de saturação de uma substância pura. o o

27 Calor latente É a quantidade de energia que uma unidade de massa necessita para que ocorra a mudança de fase. Calor latente de fusão da água (Lf) à 1 atm: 333,7 kj/kg Calor latente de vaporização da água (Lv) à 1 atm: 2257,1 kj/kg

28 Região de líquido sub-resfriado Corresponde à região em que a temperatura é menor que a de saturação para a pressão em que se encontra o sistema. Também é conhecida como região de líquido comprimido. Nem todas as substâncias têm tabelas para essa região: Nesses casos, deve-se usar os dados do líquido saturado à mesma temperatura; Quando há tabelas para essa região, as propriedades são tabeladas em função da temperatura e da pressão. Como nessa região toda substância se encontra na fase líquida, não há sentido falar em título. As propriedades são obtidas diretamente na tabela.

29

30

31 Região de vapor superaquecido Corresponde à região na qual a temperatura do sistema é maior que a temperatura de saturação na pressão do sistema. Além disso, toda a massa do sistema se encontra na forma de vapor. Por isto, não tem sentido se falar em título (assim como na região de líquido sub-resfriado). As propriedades dessa região são tabeladas em função da pressão e da temperatura. A temperatura tabelada começa na temperatura de saturação.

32

33

34 Ponto Crítico É o ponto máximo no qual líquido e vapor saturado podem coexistir em equilíbrio. A temperatura, pressão e volume neste estado recebem a terminologia crítica. A curva de saturação apresentará uma inflexão.

35

36 Temperatura Crítica [ºC] Pressão Crítica [atm] Volume Crítico [m 3 /kg] Água Dióxido de Carbono Oxigênio Hidrogênio

37 Condição supercrítica É a aquela que está acima das propriedades no ponto crítico. Nestes casos, o fluido pode passar de uma região em que suas propriedades são como aquelas de um líquido para um região em que as propriedades são como aquelas de um vapor, sem ter que passar por uma mudança de fase distinta. A mudança é gradual e contínua. As substâncias nesta região são normalmente conhecidas como fluidos e não como líquido ou vapor.

38 A B

39 Diagrama de fase P-T w 2,

40 Ponto triplo Ponto triplo é o estado em que as fases sólida, líquida e gasosa de uma substância coexistem em equilíbrio. O ponto triplo da água ocorre: Pressão = 0,006 bar Temperatura = 0,01 ºC

41 Água se expande quando congela!!! Quando congelada, ao invés de se retrair, a água se expande e flutua sob a parte líquida (gelo é menos denso que a água). Por isto a água de lagos, rios, oceanos, copo, etc. forma uma camada de gelo na superfície em não no fundo. Caso a água se contraísse ao congelar, o congelamento dos lagos e oceanos começaria do fundo para a superfície, afetando seriamente a vida marinha.

42 Diagrama de fase P-T w 2,

43 Do ponto A ao B, a substância passa da região de sólido para de vapor, cruzando a linha de sublimação. w Exemplo: dióxido de carbono sólido (gelo seco) à p atm. A pressão no ponto triplo é de 0,52MPa, superior à p atm. À 1 atm o dióxido de carbono sublima à -77 o C. Diagrama de fase P-T A B 1 2, 3 4 5

44 Diagrama de fase P-υ w w SUPERHEATED Processo isotérmico v

45 Superfícies Termodinâmicas Sintetizam as tabelas termodinâmicas; Essas superfícies correlacionam uma propriedade em função da temperatura e da pressão; Para o caso do volume específico, podem ser de dois tipos: Superfícies para substâncias que se expandem na solidificação (água); Superfícies para substâncias que se contraem na solidificação (aço);

46

47 Superfícies Termodinâmicas Sintetizam as tabelas termodinâmicas; Essas superfícies correlacionam uma propriedade em função da temperatura e da pressão; Para o caso do volume específico, podem ser de dois tipos: Superfícies para substâncias que se expandem na solidificação (água); Superfícies para substâncias que se contraem na solidificação (aço);

48

49 Considerações Finais A superfície termodinâmica tem a vantagem de permitir visualizar a evolução do processo, mas não permite obter dados precisos das propriedades. Nas tabelas ocorre o contrário. O ideal é usar as projeções na superfície para visualizar os processos e utilizar as tabelas para obter os valores das propriedades. As tabelas apresentam os dados na forma discreta: Se não houver os dados para um determinado estado, será necessário fazer uma interpolação.

50 Exercício 1) Utilizando a Tabela A-1.1 ou A-1.2, determine se os estados da água são de líquido comprimido, líquidovapor, vapor superaquecido ou se estão nas linhas de líquido saturado ou vapor saturado. a) P=1,0 MPa; T=207 ºC b) P=1,0 MPa; T=107,5 ºC c) P=1,0 MPa; T=180 ºC; x=0,0 d) P=1,0 MPa; T=180 ºC; x=0,45 e) T=340 ºC; P=21,0 MPa f) T=340 ºC; P=2,1 MPa g) T=340 ºC; P=14,586 MPa; x=1,0 h) T=500 ºC; P=25 MPa i) P=50 MPa; T=25 ºC

51 Exercício 2) Qual a massa de água em um tanque com 0,5 m 3 de volume para os sistemas abaixo (T = 200 o C): a) sistema A: P = 0,5 MPa b) sistema B: vapor saturado c) sistema C: x = 0,7 Respostas: a) 1,1767 kg vapor superaquecido b) 3,9259 kg vapor saturado c) 5,5867 kg mistura líquido-vapor