DISCIPLINA AMB30093
TERMODINÂMICA - Aula 4
Capítulo 3 – Propriedades
de uma Substância Pura
24/10/2013
Prof. Robson Alves de Oliveira
[email protected]
[email protected]
Ji-Paraná - 2013
AMB30093 – TERMODINÂMICA
Propriedades de uma substância pura
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.
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Propriedades de uma substância pura
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.
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Propriedades de uma substância pura
A substância pura
 O que é uma fase?
• 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.
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Propriedades de uma substância pura
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?
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Propriedades de uma substância pura
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.
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Propriedades de uma substância pura
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.
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Propriedades de uma substância pura
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.
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Propriedades de uma substância pura
Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 Considere o sistema abaixo:
(FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition)
(a) Massa de 1 kg de água: pressão 0,10 MPa a 20 oC.
→ inicia-se o aquecimento do sistema: o volume
específico (do sistema) aumenta ligeiramente e a
pressão permanece constante.
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Propriedades de uma substância pura
Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 Considere o sistema abaixo:
(FONTE: Fundamentals of Thermodynamics - 7th Edition)
(b) Temperatura de 99,6 oC, a adição de calor leva ao
início de mudança de fase → pressão e temperatura
permanecem constante durante o processo; o volume
específico aumenta consideravelmente.
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Propriedades de uma substância pura
Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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
convertido a vapor.
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Propriedades de uma substância pura
Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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Propriedades de uma substância pura
Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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
99,66oC. Isso é equivalente a dizer que a pressão de
saturação da água a 99,6oC é 0,1 Mpa.
 Para as substâncias puras existe uma relação entre a
pressão de saturação e a temperatura de saturação. .13
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 Essa relação é chamada de curva de pressão de
vapor.
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(FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição
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 Curva de pressão de vapor.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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
temperatura desejada.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 Algumas consequências da temperatura e pressão
de saturação:
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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 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
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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”.
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 Vapor saturado.
• A substância existe como vapor
temperatura e pressão de saturação.
na
• “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).
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 Vapor superaquecido.
• É quando o vapor está em uma temperatura maior
que a temperatura de saturação.
• Exemplo: se a temperatura da água for de 300oC 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 99,66oC.
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 Vapor superaquecido.
• A temperatura de ebulição do nitrogênio a pressão
atmosférica é de -196oC.
• Qual a consequência desse fenômeno?
• As substâncias às quais denominamos comumente
como gases são, na verdade, vapores altamente
superaquecidos.
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 Esses processos podem ser ilustrados a partir de
um diagrama temperatura-volume.
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(FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed. 2006. Cengel & Boles)
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 Diagrama temperatura-volume para a água:
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(FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição
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 A partir de um estado inicial de 0,1 Mpa e 20oC:
• Ponto A representa o estado inicial
• Ponto B representa o estado de líquido saturado
(99,6oC).
• A linha AB representa o processo de aquecimento
do líquido até a saturação.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 A partir de um estado inicial de 0,1 Mpa e 20oC:
• 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.
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 Diagrama temperatura-volume para a água:
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(FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição
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 Diagrama temperatura-volume para a água:
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(FONTE: Fundamentals de Termodinâmica. 7º edição
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 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.
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 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.
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 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.
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 A linha PQ representa um processo a pressão
constante, numa pressão maior que a crítica
(20oC e 40 Mpa).
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 Quando teremos líquido e quando teremos vapor?
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• 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.
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 A linha NJFB representa a linha de líquido
saturado.
 A linha NKGC representa a linha de vapor
saturado.
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 Todos os estados de líquido comprimido se
localizam na região a esquerda da linha de líquido
saturado, conhecida como região de líquido
comprimido.
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 Todos os estados de vapor superaquecido se
localizam na região a direita da linha de vapor
saturado, conhecida como região de vapor
superaquecido.
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 Todos os estados de equilíbrio líquido-vapor se
localizam na região abaixo da curva, conhecida
como região de líquido-vapor saturados.
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 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.
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 Diagrama pressão volume
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 Diagrama Pressão-Temperatura (Diagrama de fases)
Diagrama pressão-temperatura para a água
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 Linha de sublimação: separa as fases sólida e de vapor.
Ao longo da linha de sublimação, as fases sólida e
vapor estão em equilíbrio.
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 Linha de fusão: separa as fases sólida e líquida.
Ao longo da linha de fusão, as fases sólida e líquida
estão em equilíbrio.
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 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.
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 A linha de vaporização termina no ponto crítico
porque não existe uma distinção clara entre as fases
líquido e vapor acima desse ponto.
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 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.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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).
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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 Diagrama Pressão-Temperatura (Diagrama de fases).
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Equilíbrio entre Fases Líquido - Vapor – Sólido
 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.
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Título
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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 = mvapor/mtotal
mtotal = mlíquido + mvapor = ml + mv
 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.
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Título
 Seu valor esta entre 0 e 1.
 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.
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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.
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Propriedades de uma substância pura
Título
 As propriedades dessa “mistura” são as propriedades
médias da mistura líquido-vapor saturado.
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Propriedades de uma substância pura
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.: vl = volume específico do líquido saturado.
vv = 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.
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Título
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Propriedades de uma substância pura
Título
O valor de v (vmed) para a mistura líquido-vapor
saturada está entre os valores vl e vv a uma dada
T ou P.
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Vapor Superaquecido
 Na região à direita da linha de vapor saturado, a
temperatura e a pressão são propriedades independentes.
 Quando comparado ao vapor
superaquecido é caracterizado por:
saturado,
o
vapor
 Pressões mais baixas (P < Psat a uma determinada T);
Temperatura mais altas (T > Tsat a uma determinada P);
 Volumes específicos mais altos (v > vv a uma
determinada P ou T);
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Vapor Superaquecido
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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.
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Propriedades de uma substância pura
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).
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Líquido comprimido
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Propriedades de uma substância pura
Na Próxima aula:
Comportamento p-V-T dos gases.
Exercícios
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