Propriedades de substâncias puras, simples e compressíveis

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1 Propriedades de substâncias puras, simples e compressíveis Duas propriedades independentes definem o estado termodinâmico de uma substância Pode-se, portanto, determinar-se as outras propriedades, desde que se conheçam as equações de estado. As equações de estado (que são essencialmente empíricas), não têm uma forma algébrica simples que cubra todos os estados; por isso, é conveniente recorrer às representações em gráficos ou tabelas (exceto para os gases perfeitos). A aplicação das equações de balanço exige o conhecimento das propriedades dos sistema Estado Condição de um sistema descrito pelas suas propriedades As propriedades não são todas independentes. Um estado é caracterizado por um subconjunto de propriedades. 1

2 Princípio de Estado Existe uma propriedade para cada modo independente como a energia do sistema pode variar. A energia do sistema pode variar por transferência de energia sob a forma de calor. por transferência de energia sob a forma de trabalho. Uma variável independente Transferência de calor + Uma variável independente Para cada modo relevante como a energia é transferida sob a forma de trabalho. Número de variáveis independentes = Uma + Número de interações de trabalho relevantes Sistema Simples existe um só meio de alterar significativamente a energia do sistema através do trabalho num processo de quasi-equilíbrio. uma variável independente Calor uma variável independente Trabalho 2 variáveis independentes Sistema Simples e compressível A transferência de energia sob a forma de trabalho que ocorre num processo de quasi-equilíbrio é dada por Na unidade de massa princípio de estado aplicado com propriedades intensivas 2

3 Relação p-v-t Experimentalmente prova-se que a Temperatura T e o volume específico v podem ser considerados como variáveis independentes p = p (T,v) O gráfico desta função é a superfície p-v-t O gráfico relaciona três propriedades de uma substância em equilíbrio. Relação p-v-t Zonas a identificar no gráfico p-v-t Uma só fase: Sólida, líquida ou vapor. Duas fases: Sólido-líquido, líquido-vapor e sólido-vapor. Três fases: Linha tripla Gráfico p-v-t da água 3

4 Relação p-v-t Zona de uma só fase estado determinado por (p,v) ou (p,t) ou (T,v) Gráfico p-v-t da água Relação p-v-t Zona de duas fases a pressão e temperatura não são variáveis independentes. Só (p,v) ou (T,v) Gráfico p-v-t da água 4

5 Relação p-v-t Estado de saturação: estado onde começa ou termina uma mudança de fase. Gráfico p-v-t da água Zona a duas fases líquidovapor linha de líquido e vapor saturado. Ponto Crítico: ponto de encontro da linhas de líquido e vapor saturado. Temperatura Crítica Tc: temperatura máxima à qual a fase líquida e gasosa podem coexistir em equilíbrio. Pressão Crítica pc : pressão no ponto crítico. 5

6 Utilizam-se projeções do diagrama p-v-t diagrama de fase (p,t) diagramas (p,v) ou (T,v) Linha a duas fases sólidolíquido inclinada para a esquerda em substâncias que expandem ao solidificar e para a direita nas que contraem ao solidificar Diagrama de fase Obtém-se projetando a superfície p-v-t no plano p-t. A região a duas fases é projetada numa linha. Um ponto dessa linha representa todas as misturas a essa temperatura. Temperatura de saturação temperatura em que ocorre a mudança de fase a uma dada pressão - pressão de saturação (para uma dada temperatura) Para cada pressão de saturação existe uma temperatura de saturação. 6

7 A linha tripla é representada por um ponto ponto triplo. (T=273,16K; p=0,6113 kpa) Linha a duas fases sólido-líquido inclinada para a esquerda em substâncias que expandem ao solidificar e para a direita nas que contraem ao solidificar Diagrama p-v Obtém-se projetando a superfície p-v-t no plano p-v. Forma das isotérmicas região de líquido comprimido, duas fases e vapor Isotérmica crítica Tc = 374,14 ºC Região de uma só fase pressão diminui quando a temperatura se mantêm constante e o volume específico aumenta. T = constante v p Região a 2 fases pressão e temperatura constantes. 7

8 Forma das isobáricas região de líquido comprimido, duas fases e vapor. Isobárica crítica p c = 22,09 MPa Região de uma só fase temperatura aumenta quando a pressão se mantêm constante. O volume específico aumenta. p = constante v T Região de 2 fases pressão e temperatura constantes. Mudança de estado (substância pura) T=20 ºC T=100ºC T=300 ºC Liq.Comprimido Líq.Saturado Mistura líquido/vapor Vapor saturado Vapor sobre aquecido 8

9 Mudança de estado (substância pura) T=20 ºC T=100ºC T=300 ºC Liq.Comprimido Líq.Saturado Mistura líquido/vapor Vapor saturado Vapor sobre aquecido Mudança de fase. Estado a - Líquido comprimido ou sub-aquecido T < T saturação e p>p saturação Pequeno aumento de v com aumento de T Mudança de estado (substância pura) T=20 ºC T=100ºC T=300 ºC Liq.Comprimido Líq.Saturado Mistura líquido/vapor Vapor saturado Vapor sobre aquecido Estado a estado - Zona de duas fases Mistura de líquido e vapor. Aumento considerável de v sem aumento de T 9

10 Mudança de estado (substância pura) T=20 ºC T=100ºC T=300 ºC Liq.Comprimido Líq.Saturado Mistura líquido/vapor Vapor saturado Vapor sobre aquecido Mudança de fase - Estado vapor sobre aquecido Aumento considerável de v e de T Aumento da pressão de vaporização (p<pcrítico): Aumento da temperatura de vaporização. Menor aumento do volume específico na mudança de fase Propriedades Termodinâmicas As propriedades termodinâmicas podem ser determinadas utilizando: Tabelas, Gráficos ou Equações Tabela de Vapor super aquecido propriedades independentes: p e T; os valores começam com os de saturação Tabela de Líquido comprimido propriedades independentes: p e T; propriedades independentes: p e T; os valores terminam com os de saturação Tabela de Líquido e vapor saturado: índice utilizado f líquido, g vapor a propriedade independentes pode se p (Vapor:A2) ou T (Vapor:A3) 10

11 A relação p-v-t para gases Considerando o gás encerrado num êmbolo, à temperatura constante. Movimentação do êmbolo, com a T constante em estados de equilíbrio. v Medição de p, e T e representação em função de p Valores extrapolados para p0, tendem todos para o mesmo limite p v R lim v v M p0 T 11