TMA
00a
Ementa
1 – Conceitos básicos
2 – Comportamento de gases
3 – As leis da termodinâmica
3.1 – A primeira lei da termodinâmica
3.2 – A segunda lei da termodinâmica
3.3 – Representação matemática da primeira e da segunda lei
3.4 – Relações matemáticas entre a primeira e a segunda lei
4 – Termodinâmica e as reações químicas
5 – Equilíbrio
6 – Compostos Simples
7 – Soluções
8 – Diagrama de equilíbrio
8.1 - regra das fases
8.2 - Diagramas de equilíbrio binário
8.3 - Diagramas de equilíbrio ternário
9 – Diagrama de Ellingham
TMA
Material Didático
Livro Texto Principal
00b
TMA
Material Didático
Textos específicos em – Termodinâmica em materiais
MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and Materials
Science ; Departments of chemical engineering and
materials science and engineering.
http://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.html
GASKELL, David R.; Introduction to metallurgical
thermodynamics. Mc Graw-hill book company. New
York, 1981, 610p.
RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. John
Wiley & Sons, New York, 1995, 309.
RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. John
Wiley & Sons, New York, 1995, 309.
00c
ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. FísicoQuímica, Uma aplicação aos materiais. Rio de Janeiro,
2002, 606p.
TMA
Material Didático
Textos em Termodinâmica química ou Físico-Química
ATKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de
Janeiro, 1999, 251.
SMITH,
J.M.;
Introdução
à
termodinâmica
da
Engenharia Química. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000,
697
Textos – Diagramas de equilíbrio
SEGADÃES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria e
aplicação em cerâmica. Editora Edgard blucher LTDA.
São Paulo, 1987, 184p.
BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibria
in ceramics. The American Ceramic Society Inc.,
Columbus, Ohio, 1984,156p.
00d
TMA
Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade
Estudo formal começou no século XIX, motivado pela
utilização do CALOR como força motriz.
Atualmente
espectro bastante abrangente como
ciência da ENERGIA
relações entre as PROPRIEDADES da matéria.
Na Física - interesse em compreender os
fundamentos dos comportamentos Físico e
Químico da matéria
Na Engenharia - interesse em estudar
sistemas e suas relações com a vizinhança
01
Britânicos inventam ovo
cozido
"auto-cronometrado"
TMA
O que é termodinâmica?
A Termodinâmica está associada ao estudo de formas
de energia e como esta pode ser convertida em outras
formas de energia e trabalho.
Termodinâmica clássica:
Tem seus conceitos focalizados na análise de propriedades
macroscópicas do sistema e o estudo da relação entre estas
propriedades.
Baseia-se no estudo de fenômenos e na determinação
empírica das relações de interesse.
– SISTEMA TRATADO COMO CONTÍNUO
A termodinâmica clássica fornece as ferramentas físicas e
matemáticas para determinar como as propriedades de um
material serão alteradas em função de alterações do sistema.
02
TMA
O que é termodinâmica?
Termodinâmica estatística:
Utiliza como ferramenta a descrição estatística do
comportamento do sistema a parir do comportamento de
cada átomo do sistema, individualmente.
A termodinâmica estatística parte do princípio que
conhecendo o
comportamento
do
material
a nível
microscópico
é
possível
prever
suas
propriedades
macroscópicas.
02
TMA
O que é termodinâmica?
Termodinâmica clássica
X
Termodinâmica estatística
Para a grande maioria das aplicações em
engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA
não somente propicia uma abordagem mais
direta para análise e projeto mas também
requer menos complicações matemáticas.
03
Termodinâmica – Energia - Materiais
TMA
Comprimento de ligação
Energia de Ligação
Energia (E)
F
F
r
Comprimento de ligação
ro
r
04
Eo
Energia de ligação
TMA
05
TMA
Termodinâmica – Energia - Materiais
Formação de defeitos
06
TMA
Termodinâmica – Temperatura - Materiais
Transformação de fase
Diagrama de Equilíbrio
07
TMA
Termodinâmica – Temperatura - Materiais
Diagrama de Equlíbrio
08
TMA
SHS
09
TMA
Cientistas estudam as efervescentes
cócegas no nariz provocadas pelas
emanações aromáticas, característica
excitante e inconfundível do seu
encanto
A QUÍMICA QUE ESTRUTURA
AS BOLHAS DO CHAMPANHE
10
TMA
No CHAMPANHE e nas cervejas, o dióxido de carbono ( CO2 ) é o
principal responsável pela formação de bolhas, originadas quando o
levedo fermenta os açúcares, convertendo-os em moléculas de
álcool e CO2. A carbonatação industrial é a fonte da fermentação
nas bebidas gasosas.
Após o engarrafamento, estabelece-se um equilíbrio, de acordo
com
lei de Henry, entre o CO2 dissolvido no líquido e o gás que
lei dea Henry
está no espaço sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a
quantidade de gás dissolvida em um fluido é proporcional à pressão
do gás com o qual
está em equilíbrio.
Equilíbrio
11
Quando o recipiente é aberto, a pressão do CO2 gasoso sobre o
equilíbrio
líquido
caitermodinâmico
abruptamente, rompendo o equilíbrio termodinâmico até
então prevalecente. Como resultado, o líquido é supersaturado com
moléculas de CO2.
TMA
Para recuperar uma estabilidade termodinâmica correspondente à
pressão atmosférica, estabilidade
as moléculas
de CO2 devem abandonar o
termodinâmica
fluido supersaturado. Quando a bebida é vertida em um copo, dois
mecanismos permitem que o CO2 dissolvido escape: a difusão do
líquido através da superfície livre e a formação de bolhas.
Mas, para que se agrupem em bolhas embrionárias, as moléculas
dissolvidas de dióxido de carbono são forçadas a abrir caminho
através das moléculas líquidas agregadas, que estão fortemente
ligadas pelas forças de van der Waals (atração bipolar).
barreira de energia;
Assim, a formação de bolhas é limitada por esta barreira de
energia; para superá-la são necessárias taxas de supersaturação
mais elevadas que as de bebidas carbonatadas.
12
TMA
Em líquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe,
vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formação de bolhas , exige
raios de curvatura
cavidades de gás preexistentes com raios de curvatura extensa o
barreira de nucleação de energia
suficiente para superar a barreira de nucleação de energia e
curvatura
desenvolver-se livremente.
interface
Isto se dá porque a curvatura da interface da bolha acarreta um
excesso de pressão no interior da bolsa de gás que é inversamente
proporcional ao seu raio (de acordo com a lei de Laplace) .Quanto
menor a bolha, maior o excesso
13
TMA
Resumo de termodinâmica
As leis da termodinâmica: Fornecem as regras básicas
que governam as relações entre variáveis de um
sistema. De uma forma geral, são as restrições que a
natureza impõe ao processo de transformação de
energia.
Definições termodinâmicas: São definidos parâmetros
como
capacidade
calorífica,
compressibilidade,
coeficiente de expansão térmica, entalpia, energia livre
de Helmoltz e energia livre de Gibbs.
Variáveis termodinâmicas: O estado de um sistema é
definido
em
função
dos
valores
de
algumas
propriedades, ou variáveis do sistema. As diferentes
variáveis que podem ser usadas para descrever este
estado incluem energia, entropia, composição química,
temperatura, pressão e volume.
14
TMA
15
TMA
Resumo de termodinâmica
Funções de estado: Está associado com variáveis onde
o processo depende apenas das condições iniciais e
finais, e independe da história do sistema.
Relações matemáticas: Existem quatro relações que
podem ser determinadas a partir de funções de estado.
Estas relações são denominadas por relações de
Maxwell.
Condições de equilíbrio: Um sistema está em equilíbrio
quando todas as suas propriedades são independentes
do tempo e são função apenas de suas variáveis de
estado. Deve-se tomar cuidado com esta definição já
que em algumas situações a variação de uma
propriedade com o tempo é muito lenta, podendo ser
confundido com uma condição de equilíbrio.
16
Definições - Sistema
TMA
Sistema :
Refere-se à região macroscópica do universo definida e
selecionada para análise. Pode ser de qualquer tamanho,
podendo até ser considerado todo o universo como um
sistema.
FRONTEIRA
VIZINHANÇA
SISTEMA
17
TMA
Definições – Tipos de Sistemas
Aberto : É aquele em que existe troca
de energia e troca de massa entre
sistema e vizinhança
Fechado: É aquele em que existe troca
de energia mas não existe troca de
massa.
Isolado: Sistemas onde não
troca de material ou energia.
18
ocorre
TMA
Definições – Tipos de Sistemas
Sistemas puros ou compostos:
Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância.
Esta substância pode ser um elemento atômico (Silício) ou
uma molécula (água pura).
Multicomponentes apresentam várias substâncias.
Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem
uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias
fases.
Reativo ou não reativo: sistemas reativos
formação ou dissociação de ligações químicas.
envolvem
a
Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é
influenciado por energias diferentes da energia mecânica,
química ou térmica.
18
Definições - Sistema
TMA
Sistema :
FRONTEIRA
VIZINHANÇA
SISTEMA
SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE
VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO
FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE
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TMA
Definições – Função de estado
Funções de estado: São variáveis ou propriedades de
um sistema que são independentes da história do
sistema, dependendo apenas do estado inicial e final do
sistema. As funções de estado não dependem do
processo pelo qual o sistema foi levado a este estado.
EXEMPLO - Temperatura
A
B
20
TMA
Definições – Função de estado
(outra definição)
Características MACROSCÓPICAS de um sistema, como
MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que
não dependem da história do sistema.
Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura,
etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de
seu valor entre dois estados é independente do processo.
A
B
21
TMA
Definições – Estado
Condição do sistema, como descrito por suas propriedades.
Como normalmente existem relações entre as propriedades, o
ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de
propriedades. Todas as outras propriedades podem ser
determinadas em termos desse subconjunto.
PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma
ou mais propriedades.
ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o
tempo.
CICLO TERMODINÂMICO: Seqüência de processos que
começam
e
terminam
em
um
mesmo
estado.
Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.
22
TMA
Definições – Variável de sistema
Variáveis do sistema: Ao contrário das funções de
estado, as variáveis do sistema são definidas apenas
quando o processo que foi seguido para ir do estado A
ao estado B é conhecido.
Assim, a variável de processo é a variável que não é
definida para estados de um sistema e tem sentido
apenas quando se fala no movimento de um estado
para outro.
EXEMPLO - calor (Q) e o trabalho (W).
Q1
Q3
A
23
Q2
W1
W3
W2
B
TMA
Definições – Propriedade intensiva x
extensiva
Propriedades intensivas: são aquelas que não
dependem do tamanho do sistema e podem ser
especificadas para qualquer ponto do sistema.
Não são aditivas
Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.
Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.
Exemplo: temperatura e pressão.
Propriedades extensivas: são aquelas que não podem
ser especificadas para um ponto particular e dependem
do tamanho do sistema.
Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for
subdividido.
Dependem do tamanho e extensão do sistema.
Seus valores podem variar com o tempo.
Exemplo: massa, energia, volume.
24
TMA
Quantidade
Quantidade molar (Xm)- Propriedade extensiva (X) de
uma substância dividido pela quantidade de matéria
presente (n)
EXEMPLO: volume molar, massa molar
Quantidade parcial molar (Xi)- Propriedade extensiva
(X) de um sistema composto, em função da variação da
quantidade de uma substância A presente.
EXEMPLO: O volume parcial molar de uma substância A
em uma mistura é a variação do volume da mistura
provocada pela variação da quantidade do componente
A (vA)
25
Fase e Substância Pura
TMA
FASE
Quantidade de matéria que é homogênea tanto em
composição química quanto em estrutura física.
Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria
é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente
gasosa.
Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo:
água e seu vapor.
Notar que os gases e alguns líquidos podem ser
misturados em qualquer proporção para formar uma única
fase.
SUBSTÂNCIA PURA
É invariável em composição química e é uniforme.
Pode existir em mais de uma fase desde que seja
garantida a condição acima.
26
TMA
Método para resolver um problema
Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são:
1 - Definição do sistema;
2 - Identificação das interações relevantes com a vizinhança.
3 - Estabelecer:
O que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras;
O que é procurado: resumir o que é procurado;
4 - Esquema e dados:
Definir o sistema; identificar a fronteira;
Anotar dados e informações relevantes;
Hipóteses;
Análise: feita sobre as equações
(conservação da massa, conservação da energia, segunda lei da termodinâmica);
Comentários: interpretar.
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TMA
Unidades
Tabela 1.1. Comparação SI e Sistema Inglês
Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m
Massa: 1 lbm = 0,45359237 kg
Força :
F= ma
1 N = 1 (kg) x 1 (m/s2)
1 lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2)
Tabela 1.4. SI Unidades - Prefixos
1 lbf = 4,448215 N
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TMA
Unidades
Tabela 1.5. Fatores de Conversão entre unidades SI e do Sistema Inglês
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