TERMODINÂMICA PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS Profa. Danielle Cardoso www.profadanielle.com.br danielle@profadanielle.com.br Substância Pura É um a substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão. Uma substância pura não pr ecisa ser constituída por um único elemento ou composto químico. A combinação de vários elementos ou compostos químicos também se qualifica como substância pura, desde que seja homogênea. Exemplos: 1
Substância Pura Uma mistura de gelo e água líquida é uma mistura pura? Sim, porque ambas as fases têm a mesma composição química. Uma mistura de de ar liquído e ar gasoso é uma mistura pura? Não, já que a composição do arlíquido é diferente da composição do ar gasoso, portanto, a mistura não é mais químicamente homogênea. Estado da matéria As ligações intermoleculares são mais fortes nos sólidos e mais fracas nos gases. Um motivo para isso é que as moléculas dos sólidos estão mais compactadas, enquanto nos gases elas estão separadas por distâncias relativamente grandes. 2
09/02/17 Processos de mudança de fases de substâncias puras Há várias situações práticas em que duas fases de uma substâncias pura coexistem em equilibrio. Por exemplo, a água existe como uma mistura de líquido e vapor na caldeira e no condensador de uma usina. O refrigerante passa de líquido para vapor no congelador de um refrigerados. Processos de mudança de fases de substâncias puras 3
Processos de mudança de fases de substâncias puras ü Líquido comprimido (sub-resfriado) é uma subtância que não irá se vaporizar. ü Líquido saturado é uma substância líquida que está proximo à se tornar vapor. ü Mistura saturada de líquido-vapor estado em que o líquido e vapor coexistem em equilibrio. A água na fase líquida a 20 C e à pressão de 1 atm. (líquido comprimido) A água a 100 C e à pressão de 1 atm ainda está na fase líquida, mas qualquer calor adicional ao fl u i do fará com que uma parte do líquido comece a se vaporizar. Quanto mais calor é transferido ao sistema, parte do líquido saturado se vaporiza (mistura líquidovapor). Processos de mudança de fases de substâncias puras ü Vapor Saturado: O vapor que está na fronteira para se condensar. ü Vapor Superaquecido: Vapor que não está propício a condensar-se (ou seja, não é um vapor saturado) Qualquer perda de calor do vapor fará com que parte do vapor condense (mudança de fase a partir do vapor para líquido). A água a 300 C e à pressão de 1 atm. (vapor superaqueido) 4
Processos de mudança de fases de substâncias puras Diagrama T-v do processo de aquecimento a pressão constante Temperatura e pressão de saturação A temperatura que a água comec a a ferver depende da pressão; portanto, se a pressão é fixa a temperatura de ebulição também é fixa. ü Temperatura de saturação (T sat ) é a temperatura que a substa ncia pura muda de fase a uma dada pressão. ü Pressão de saturação (P sat ) é a pressão que a substa ncia pura muda de fase a uma dada temperatura. 5
Temperatura e pressão de saturação Calor Latente A quantidade de energia absorvida ou liberada durante um processo de mudança de fase é chamada de calor latente. A quantidade de energia absorvida durante a fusão é chamada de calor latente de fusão e é equivalente à quantidade de energia liberada durante a solidificação. A quantidade de energia absorvida durante a vaporização é chamada de calor latente de vaporização e é equivalente à quantidade de energia liberada durante a condensação. 6
Temperatura e pressão de saturação Durante um processo de mudança de fase, pressão e temperatura são propriedade dependentes, diretamente. Na Figura abaixo tem-se o exemplo para a água da curva de saturação líquido-vapor, sendo esta curva característica de todas substâncias puras. Assim, uma substância a pressão mais alta entra em ebulição a temperaturas mais altas. Propriedades dos diagramas de mudança de fase Ponto crítico O pont o crítico ponto é definido como o ponto em que os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos. A temperatura, pressão e volume específico de uma substância no ponto crítico são chamados, respectivamente, a temperatura crítica, T cr, pressão crítica, P cr e volume específico crítico, v cr. Diagrama T-v dos processos de mudança de fase a pressão constante para substância pura a diferentes valores de pressão de saturação 7
Propriedades dos diagramas de mudança de fase diagrama T-v diagrama P-v Identificanco o Estados ü A Partir dos valores de Pressão (P): ü A Partir dos valores de Temperatura (T): 8
Identificanco o Estados ü A Partir dos valores de Temperatura (T) ou Pressão e volume Específico (v esp ) Tabelas de Propriedade Termodinâmica ü Tabel a de satur ação- referenciada pela temperatura ü Tabela de vapor superaquecido 9
Energia Interna e Entalpia A energia interna (U), é a energia térmica contida em uma substância A entalpia (H), que é útil para os cálculos de fluxo de fluido, é definida por Então, a entalpia específica é: h = u + Pv kj kg H = U+ PV kj O postulado de estado defende que somente duas propriedades independentes de uma substância são necessárias para determinar todas as outras ü Título (x) Mistura líquido-vapor saturado Para analisar esta mistura corretamente, precisamos saber as proporções das fases líquida e vapor na mistura. Isto é feito através da definição de uma nova propriedade chamada de título, designada pela letra x. Definida como a razão entre a massa de vapor e a massa total da mistura bifásica: onde Título, x, tem significado apenas para misturas saturadas. Não tem nenhum significado em regiões de vapor superaquecidos ou líquido comprimido. O seu valor situa-se entre 0 (liq. Saturado) e 1(vapor saturado). 10
Mistura líquido-vapor saturado Considere-se um tanque que contém uma mistura saturada de líquido-vapor. O volume ocupado pelo líquido saturado é V l, e o volume ocupado pelo vapor saturado é V v. O volume total específico (V T ) ou V méd volume médio específico é a soma dos dois: m 3 V T = (1 x)v liq + xv vap kg onde : x = Título v líq = v esp. liq.saturado v vap = v esp. vap.saturado m 3 V T = v liq + xv lv kg v lv = v vap vliq x = V T v liq v lv Mistura líquido-vapor saturado A análise pode ser repetida para a energia interna e para entalpia. u /é1 = u 2 + xu 24 kj kg h /é1 = h 2 + x h 24 kj kg onde: u 2 : Energia interna líq. Saturado x: Título; u 24 : energia interna de vaporização. onde: h 2 : Entapia líq. Saturado x: Título; h 24 : Entalpiade vaporização. 11
Refigerantes Os refrigerantes são frequentemente utilizados como fluidos de trabalho em aparelhos de ar-condicionado e sistemas semelhantes A amônia era o refrigerante utilizado no primeiro sistema de refrigeração R134a (Tetrafluoretano) é um refrigerante comum utilizado que substituiu o R12 (Freon)porrazões ambientais HFO-1234yf (Tetrafluoropropeno) eventualmente substituirá o R134a EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS IDEAL Qualquer equação que relaciona a pressão, temperatura, e o volume específico de uma substância é chamada uma equação de estado. Equação abaixo é chamada de equação de estado dos gases ideais, e um gás que obedece a esta relação é chamada um gás ideal Na equação acima, R é a constante de proporcionalidade chamada de constante dos gases. Nesta equação, P é a pressão, T é a temperatura, e v é o volume específico do gás. 12
EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS IDEAL A constante de gás R é diferente para cada gás e é determinada a partir de R = R u MM (kj / kg.k)ou(kpa.m3 / kg.k) onde R u é a constante universal dos gases e MM é a massa molar (também chamado de peso molecular) do gás. A constante R u é a mesma para todas as substâncias, e o seu valor é : EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS IDEAL A massa de um sistema é igual ao produto da sua massa molar MM e o seu respectivo número de mols N: [ ] m = MM.N kg A equação de estado dos gases ideais pode ser escrito de várias formas diferentes: PV = mrt PV = NR u T Pv = R u T P = ρrt onde é v o volume molar específico, isto é, o volume por unidade de moles (em m3 / kmol). v = v N m< kmol 13
EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS IDEAL Ao escrever a dos gases ideais duas vezes para uma mesma massa fixa e simplificando, as propriedades de um gás ideal em dois estados diferentes estão relacionados entre si pela equação: EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS REAL A lei do gás ideal pode ser modificada para se ajustar melhor aos gases reais introduzindo o fator de compressibilidade: Z = Pv RT Z = v ABC2 v D1BC2 Z = 1 para um gás ideal Z pode ser encontrado em tabelas de compressibilidade 14
EQUAÇÃO DE ESTADO DO GÁS REAL Os gases se comportam de modo diferente a uma determinada temperatura e pressão. Entretanto, eles se comportam de modo muito parecido quando as temperaturas e pressão são normalizadas em relação às temperaturas e pressão crítica. A normalização é feita da seguinte forma: P AB1 = P P EA T AB1 = T T EA Pred= Pressão reduzida Pcr= Pressão Critica Tred= Temperatura reduzida Tcr= Temperatura Critica EQUAÇÃO DE VAN DER WAALS Outra equação de gás real é a equação de van der Waals: P = RT ν b a ν 2 As constantes adicionais a e b estão relacionadas aos valores do ponto crítico para o gás a = 27R2 T cr 2 64P cr b = R2 T cr 8P cr 15
EQUAÇÃO BEATTIE-BRIDGEMAN Uma equação Beattie-Bridge é uma equação de gás real mais sofisticada P = R T u 1 c ν + B ν 2 νt 3 0 1 b A 0 1 a ν ν 2 ν Em que é o volume molar específico As cinco constantes A 0, B 0,, e são diferentes paracada gás 16