DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA - Aula 4 Capítulo 3 Propriedades de uma Substância Pura 24/10/2013

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1 DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA - Aula 4 Capítulo 3 Propriedades de uma Substância Pura 24/10/2013 Prof. Robson Alves de Oliveira robson.aoliveira@gmail.com.br robson.oliveira@unir.br Ji-Paraná

2 A substância pura O que é uma substância pura? Substância pura é aquela que tem composição química invariável e homogênea. Assim, a composição é a mesma em toda a sua extensão..2

3 A substância pura Exemplos: água, nitrogênio, hélio e o dióxido de carbono. Uma substância pura não precisa ser constituída por um único elemento ou composto químico, entretanto a mistura tem que ser homogênea. E o ar, pode ser considerado uma substância pura? O ar é uma mistura de diversos gases. Ele pode ser considerado uma substância pura porque tem uma composição química uniforme..3

4 O que é uma fase? A substância pura Fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea. Uma mistura de duas ou mais fases de uma substância pura é uma substância pura, desde que a composição química de todas as fases seja igual. Ou seja, uma substância pura pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química tem que ser a mesma em todas as fases..4

5 A substância pura E uma mistura de ar líquido e ar gasoso pode ser considerada uma substância pura? Não. A composição do ar líquido é diferente do ar gasoso. A mistura não é quimicamente homogênea. Isso acontece porque os diferentes componentes do ar condensam a diferentes temperaturas em uma determinada pressão. E uma mistura de óleo e água pode ser considerada uma substância pura?.5

6 A substância pura Não. Como o óleo não é solúvel em água ele se concentrará na parte superior da água, formando duas regiões quimicamente homogêneas. Existem três fases principais - sólida, líquida e gasosa. Uma substância pode ter várias fases dentro de uma fase principal cada qual com uma estrutura molecular diferente..6

7 A substância pura Exe.: o carbono pode existir como grafite ou diamante na fase sólida; O hélio tem duas fases líquida; o ferro tem três fases sólidas; O gelo pode existir com sete diferentes fases a altas pressões. Daremos ênfase às substâncias denominadas compressíveis simples: Nessas substâncias, os efeitos de superfície (adsorção), magnéticos e elétricos não são significativos..7

8 A substância pura Entretanto, variações de volume são muito importantes. Exemplo: aquelas associadas à expansão de um gás em um cilindro. Sistema compressível simples: É um sistema que consiste numa substância compressível simples. Recordando: o que é um estado termodinâmico? É o conjunto de valores das propriedades de um sistema..8

9 Considere o sistema abaixo: (FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition) (a) Massa de 1 kg de água: pressão 0,10 MPa a 20 o C. inicia-se o aquecimento do sistema: o volume específico (do sistema) aumenta ligeiramente e a pressão permanece constante..9

10 Considere o sistema abaixo: (FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition) (b) Temperatura de 99,6 o C, a adição de calor leva ao início de mudança de fase pressão e temperatura permanecem constante durante o processo; o volume específico aumenta consideravelmente..10

11 Considere o sistema abaixo: (FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition) (b) Ou seja, durante um processo de ebulição, a única mudança observável é um grande aumento do volume específico e uma diminuição constante do nível do líquido como resultado de uma maior quantidade deste sendo.11 convertido a vapor.

12 Considere o sistema abaixo: (FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition) (c) Depois que a última gota tiver evaporado, a adição de calor irá provocar aumento de temperatura e do volume específico..12

13 Temperatura de saturação: É a temperatura na qual se da a vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. Essa pressão é chamada pressão de saturação para a dada temperatura. A temperatura de saturação da água a 0,1 Mpa é 99,66 o C. Isso é equivalente a dizer que a pressão de saturação da água a 99,6 o C é 0,1 Mpa. Para as substâncias puras existe uma relação entre a pressão de saturação e a temperatura de saturação..13

14 Essa relação é chamada de curva de pressão de vapor. (FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição.14

15 Curva de pressão de vapor..15

16 Algumas consequências da temperatura e pressão de saturação: É possível controlar a temperatura de ebulição de uma substância controlando somente a pressão (isso tem várias aplicações práticas). Um exemplo é no processo chamado de refrigeração a vácuo, que se baseia em reduzir a pressão de uma câmara de resfriamento fechada ate a pressão de saturação que se obterá a baixa.16 temperatura desejada.

17 Algumas consequências da temperatura e pressão de saturação:.17

18 Líquido subresfriado. Se a temperatura do líquido é menor que a temperatura de saturação existente, o líquido é chamado de líquido sub-resfriado. Significa então, que a temperatura é mais baixa que a temperatura de saturação para uma determinada pressão..18

19 Líquido comprimido. Significa que a pressão do sistema é maior que a pressão de saturação para uma determinada temperatura. Os termos líquido comprimido e líquido subsresfriado são equivalente. No livro texto este é o termo adotado.19

20 Líquido saturado. Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e pressão de saturação diz-se que ela esta no estado de líquido saturado. Um líquido saturado é um líquido que esta a ponto de evapora de evaporar..20

21 Vapor saturado. A substância existe como vapor na temperatura e pressão de saturação. Vapor saturado é um vapor que esta a ponto de condensar. Qualquer quantidade de calor que perca esse vapor fará com que ele se condense (mudança de fase de vapor para líquido)..21

22 Vapor superaquecido. É quando o vapor está em uma temperatura maior que a temperatura de saturação. Exemplo: se a temperatura da água for de 300 o C e a pressão de 0,1 Mpa e alguma quantidade de calor for perdida por este vapor. A temperatura irá cair um pouco, mas não haveria condensação enquanto a temperatura se mantivesse acima de 99,66 o C..22

23 Vapor superaquecido. A temperatura de ebulição do nitrogênio a pressão atmosférica é de -196 o C. Qual a consequência desse fenômeno? As substâncias às quais denominamos comumente como gases são, na verdade, vapores altamente superaquecidos..23

24 .24

25 .25

26 .26

27 .27

28 .28

29 .29

30 .30

31 Esses processos podem ser ilustrados a partir de um diagrama temperatura-volume. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles).31

32 Diagrama temperatura-volume para a água: (FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição.32

33 A partir de um estado inicial de 0,1 Mpa e 20 o C: Ponto A representa o estado inicial Ponto B representa o estado de líquido saturado (99,6 o C). A linha AB representa o processo de aquecimento do líquido até a saturação..33

34 A partir de um estado inicial de 0,1 Mpa e 20 o C: O ponto C é referente ao estado de vapor saturado. A linha BC representa o processo de mudança da fase líquida para a fase vapor a temperatura constante. A linha CD representa o processo de superaquecimento do vapor a pressão constante. Tanto temperatura como volume aumentam durante esse último processo..34

35 Diagrama temperatura-volume para a água: (FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição.35

36 Diagrama temperatura-volume para a água: (FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição.36

37 E se a pressão for alterada para 22,09 MPa? Nesse caso, verificamos que não há um processo de vaporização a temperatura constante. A linha MNQ representa o processo em questão..37

38 O que representa o ponto N? É um ponto crítico. Matematicamente representa o ponto onde a primeira derivada é nula, f (x) = o, ou seja, é um ponto de inflexão com inclinação nula..38

39 Nesse ponto os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos. A temperatura, a pressão e o volume específico do ponto crítico são chamados temperatura crítica, pressão crítica e volume crítico..39

40 .40

41 A linha PQ representa um processo a pressão constante, numa pressão maior que a crítica (20 o C e 40 Mpa)..41

42 Quando teremos líquido e quando teremos vapor?.42

43 Nunca haverá duas fases presentes (nunca teremos as fases de líquida e de vapor coexistindo em equilíbrio). Haverá uma variação contínua de volume específico e sempre haverá apenas uma só fase. A resposta é que essa não é uma questão válida para pressões supercríticas. Chamamos a substância simplesmente de fluido supercrítico..43

44 A linha NJFB representa a linha de líquido saturado. A linha NKGC representa a linha de vapor saturado..44

45 Todos os estados de líquido comprimido se localizam na região a esquerda da linha de líquido saturado, conhecida como região de líquido comprimido..45

46 Todos os estados de vapor superaquecido se localizam na região a direita da linha de vapor saturado, conhecida como região de vapor superaquecido..46

47 Todos os estados de equilíbrio líquido-vapor se localizam na região abaixo da curva, conhecida como região de líquido-vapor saturados..47

48 A linha de líquido saturado é levemente inclinada em relação a vertical pelo efeito da dilatação volumétrica. Quanto maior a temperatura, maior é o volume ocupado pelo líquido (lembrar que os líquido são muito pouco compressíveis). A linha de vapor saturado é fortemente inclinada em sentido contrário devido à compressibilidade do vapor..48

49 Diagrama pressão volume.49

50 Diagrama Pressão-Temperatura (Diagrama de fases) Diagrama pressão-temperatura para a água.50

51 Linha de sublimação: separa as fases sólida e de vapor. Ao longo da linha de sublimação, as fases sólida e vapor estão em equilíbrio..51

52 Linha de fusão: separa as fases sólida e líquida. Ao longo da linha de fusão, as fases sólida e líquida estão em equilíbrio..52

53 Linha de vaporização: separa as fases líquida e de vapor. Ao longo da linha de vaporização, as fases líquida e de vapor estão em equilíbrio..53

54 A linha de vaporização termina no ponto crítico porque não existe uma distinção clara entre as fases líquido e vapor acima desse ponto..54

55 O diagrama pressão-temperatura mostra como as fases sólidas, líquida e vapor podem coexistir em equilíbrio. Para qualquer substância pura o formato do diagrama é o mesmo..55

56 Ponto triplo: corresponde ao estado na qual as três fases (sólida, líquida e vapor) coexistem em equilíbrio. Este é o único ponto no qual as três fases podem coexistir em equilíbrio..56

57 .57

58 Quando a temperatura aumenta (a pressão constante): Uma substância no estado A (sólido com pressão inferior a pressão do ponto triplo), passa diretamente da fase sólida para vapor (linha de pressão constate AB)..58

59 Quando a temperatura aumenta (a pressão constante): Já ao longo da linha de pressão constante EF, a substância passa da fase sólida para líquida a uma temperatura, e depois da fase líquida para vapor a outra temperatura mais alta..59

60 Quando a temperatura aumenta (a pressão constante): A linha CD passa pelo ponto triplo. A uma pressão superior a crítica, como a da linha GH, não há uma distinção clara entre as fases líquida e vapor..60

61 Diagrama Pressão-Temperatura (Diagrama de fases)..61

62 Uma substância pura pode existir em diferentes fases sólidas. A mudança de uma fase sólida para outra é chamada de transformação alotrópica. Assim, uma substância pode apresentar diversos pontos triplos, mas somente em um apresentará sólido, líquido e vapor..62

63 Título.63

64 Título O título (x) é definido quando uma substância é composta por uma parcela na fase líquida e outra na fase de vapor, na temperatura (e pressão) de saturação. Matematicamente: x = m vapor /m total m total = m líquido + m vapor = m l + m v O título só tem significado para a região das misturas saturadas. Assim, não faz sentido falar em título para as regiões de líquido comprimido ou de vapor superaquecido..64

65 Seu valor esta entre 0 e 1. Título Assim, para um sistema composto por líquido saturado o título é zero (0%). Para um sistema composto por vapor saturado o título é 1 (100%). O título pode ser uma das propriedades intensivas independentes necessárias para descrever um estado. As propriedades do líquido saturado são as mesmas, independentemente dele existir sozinho ou em uma mistura com vapor saturado..65

66 Título Durante o processo de vaporização, apenas a quantidade de líquido saturado muda e não suas propriedades (o mesmo pode ser dito sobre o vapor saturado). Uma mistura saturada é uma combinação de dois subsistemas: o líquido saturado e o vapor saturado. Geralmente a quantidade de massa de cada fase é desconhecida. É conveniente supor que as duas fases se misturam bem, formando uma mistura homogênea..66

67 Título As propriedades dessa mistura são as propriedades médias da mistura líquido-vapor saturado..67

68 Título O sub-escrito l é usado para indicar as propriedades do líquido saturado e o sub-escrito v para indicar as propriedades do vapor saturado. Ex.: v l = volume específico do líquido saturado. v v = volume específico do vapor saturado. Outro sub-escrito muito usado é o lv que denota a diferença entre os valores do vapor saturado e do líquido saturado para a mesma propriedade..68

69 Título.69

70 Título O valor de v (v med ) para a mistura líquido-vapor saturada está entre os valores v l e v v a uma dada T ou P..70

71 Vapor Superaquecido Na região à direita da linha de vapor saturado, a temperatura e a pressão são propriedades independentes. Quando comparado ao vapor saturado, o vapor superaquecido é caracterizado por: Pressões mais baixas (P < P sat a uma determinada T); Temperatura mais altas (T > T sat a uma determinada P); Volumes específicos mais altos (v > v v a uma determinada P ou T);.71

72 Vapor Superaquecido.72

73 Líquido comprimido As tabelas de líquido comprimido são difíceis de encontrar em virtude da pequena variação das propriedades do líquido comprimido com a pressão. Na ausência de dados para o líquido comprimido, uma aproximação geral é tratar o líquido comprimido como líquido saturado a mesma temperatura..73

74 Líquido comprimido As propriedades do líquido comprimido dependem muito mais da temperatura do que da pressão (exceção para a entalpia). Em geral, um líquido comprimido é caracterizado por: Pressões mais alta (P > Psat a uma determinada T) Temperaturas mais baixas (T < tsat a uma determinada P) Volumes específicos mais baixos (v < vl a uma determinada P ou T)..74

75 Líquido comprimido.75

76 Na Próxima aula: Comportamento p-v-t dos gases. Exercícios.76