Uma fase é definida como uma quantidade de matéria homogênea.

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1 Aula 02 Estado e fase. Propriedades, processos e Ciclo Se considerarmos uma dada massa de água, reconhecemos que ela pode existir sob várias formas (fases). Se ela é inicialmente líquida pode-se tornar vapor, após aquecida, ou sólica quando resfriada. Uma fase é definida como uma quantidade de matéria homogênea. Para descrever um sistema e prever seu comportamento é necessário o conhecimento de propriedades e como estas propriedades estão relacionadas. Uma propriedade é uma caracteristica macroscópica de um sistema tal como massa, volume, energia, pressão e temperatura, para os quais valores numéricos podem ser registrados para um dado tempo sem conhecimento do comportamento prévio (história) do sistema. Termodinâmica também liga com quantidades que não são propriedades, tais como taxa de fluxo de massa e transferências de energia via trabalho e calor. A palavra estado refere-se à condição de um sistema ser descrito por estas propriedades. Cada uma das propriedades de uma substância, num dado estado, tem somente um determinado valor. Quando qualquer propriedade de um sistema muda, o estado muda e o sistema é dito sofrer um processo. Processo é a transformação de um estado em outro. Um ciclio termodinâmico é uma sequência de processos que começam e terminam no mesmo estado. Propriedades de uma substância pura Uma substância pura é aquela que tem composição química invariável e homogênea. Pode existir em mais de uma fase, mas a composição química é a mesma em todas as fases. Assim, água líquida, uma mistura de água líquida e vapor ou mistura de gelo e água líquida são todas substâncias puras, pois cada fase tem a mesma composição química. Por outro lado, uma mistura ar líquido e gasoso não é uma substância pura, pois a composição da fase líquida difere da fase gasosa.

2 Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida numa substância pura Na figura 01: Mudança de fase líquida para vapor de uma substância pura a pressão constante. No sistema água contida no conjunto êmbolo-cilindro da figura acima, vamos supor que a pressão seja de 0,1 Mpa. Na figura 01 vemos: (a) Líquido sendo aquecido. A medida em que o calor é transferido para a água, ela dilata-se antes de se tornar vapor. O que corresponde a linha no diagrama temperatura-volume da figura 2. O ponto representa o estado inicial e o estado de líquido saturado. (b) Mudança de fase. A partir da temperatura de saturação, uma transferência adicional de calor implica em mudança de fase: parte do líquido torna-se vapor. Temperatura e pressão permanecem constantes mas o volume específico aumenta consideravelmente. Equivale a linha na figura 2. O ponto da figura 2 corresponde ao estado de vapor saturado. linha de líquido saturado linha de vapor saturado Figura 2 Diagrama temperatura-volume para a água.

3 (c) Na figura 1 em (c) temos vapor (o líquido foi totalmente vaporizado). Uma transferência adicional de calor resulta num aumento de temperatura e do volume específico como em (a). Na figura 2 tal processo equivale à linha. O processo da figura 1 pode ocorrer sob várias pressões como mostrado na figura 2. Por exemplo, a pressão de 1 MPa as linhas percorridas seriam, e a pressão de 10 MPa as linhas percorridas seriam, e. Na linha os processos se dão a pressão constante e igual a 22,09 MPa. O ponto é chamado de ponto crítico. Nele os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos. A Temperatura no ponto crítico é chamada de temperatura crítica. A pressão no ponto crítico é chamada de pressão crítica. O volume específico no ponto crítico é chamado de volume crítico. Dados do ponto crítico para algumas substâncias pode ser visto na tabela abaixo.

4 Figura 3: Diagrama pressão-temperatura para uma substância de comportamento semelhante ao da água. Vamos supor que queiramos analisar o comportamento da água mantendo a pressão constante e variando a temperatura. A mudança de fase se dará como mostrada na figura 3: Consideramos um sólido (gelo) no estado. Quando a temperatura aumenta, mantendo-se a pressão constante, a substância passa da fase sólida para a de vapor. O que é representado pela linha. A linha de pressão constante passa pelo ponto triplo da água. A pressão nesta linha é 0,6113 kpa. (No ponto triplo as três fases podem coexistir em equilíbrio.) Na linha de pressão constante, a água está na fase sólida até alcançar a linha de fusão. Entre a linha de fusão e a linha de vaporização a fase da água é líquida. Após a linha de vaporização a água está na fase de vapor. A linha trata-se de uma linha de pressão superior a crítica. Nela não há distinção clara entre as fases líquida e vapor.

5 O ponto triplo de algumas substâncias é mostrado na tabela abaixo entregar o seguintes problemas resolvido: (Entregar com seu nome e seu RA.) 1) Vimos na Figura 2 o diagrama temperatura-volume. Desenhar uma linha semelhante a para uma pressão e temperatura diferentes das mostradas. Identificar no gráfico a temperatura em que ocorre a saturação (a indicação do volume correspondente não é necessária). 2) Vimos na Figura 3 o diagrama pressão-temperatura. Identificar o segmento que corresponde à linha que você escolheu para fazer o problema 1).