Aula 04_Substancias Puras

23/2/2010 1Prof. Leonardo Kyo Kabayama

Aula 4Substâncias Puras

Objetivos

Apresentar relações de propriedades relevantes à Termodinâmica voltada para a engenharia;

Utilizar as propriedades e relações apresentadas no balanço de energia para sistemas fechados.

Definindo EstadoEstado é a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades;Os valores de todas as outras propriedades podem ser determinados a partir das propriedades independentes;O Princípio dos Estados Equivalentes diz que são necessárias duas propriedades independentes para descrever o estado de Sistemas Compressíveis Simples, como água e misturas não-reativas.

Princípio dos Estados Equivalentes

Existe uma propriedade independente para cada forma pela qual a energia de um sistema pode ser variada independentemente;O número de propriedades independentes é igual a um mais o número de interações relevantes do sistema devido trabalho.

Sistemas Compressíveis Simples

Sistema onde existe somente uma forma pela qual a energia do sistema pode ser significativamente alterada por trabalho;Como o nome sugere a forma de alterar a energia de sistemas compressíveis simples é por processos de mudança de volume.

Sistemas Compressíveis Simples

Sistema onde existe somente uma forma pela qual a energia do sistema pode ser significativamente alterada por trabalho;Como o nome sugere a forma de alterar a energia de sistemas compressíveis simples é por processos de mudança de volume.

23/2/2010 Prof. Leonardo Kyo Kabayama 5

Substância pura :•Substância que tem composição química invariável e homogênea;•Pode existir em mais de uma fase (mesma composição química em todas as fases);

•Às vezes uma mistura de gases, tal como o ar, pode ser considerada uma substância pura, desde que não haja mudança de fase.


a) Massa de água de 1kg, pistão aplicando pressão de 0,1MPa etemperatura inicial de 20°C;

b) Adiciona-se calor até 99,6°C. Calor adicional implica numa mudançade fase. Parte do líquido se transforma em vapor. Nesse processo apressão e a temperatura permanecem constantes e o volumeespecífico aumenta consideravelmente;

c) Quando a última gota de líquido tiver vaporizado, calor adicionalresulta em aumento da temperatura e do volume específico dovapor.


Temperatura de saturação•Temperatura na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão;

•Pressão de saturação para uma dada temperatura.•Pressão de saturação da água a 99,6°C é 0,1MPa•Temperatura de saturação da água a 0,1MPa é 99,6°C


Se uma substância existe como líquido a temperatura e pressão de saturação:

•Essa substância é chamada de líquido saturado;•Se a temperatura estiver abaixo da temperatura de saturação para uma dada pressão, a substância é chamada de:

• líquido sub-resfriado →a temperatura mais baixa do que a temperatura de saturação para uma dada pressão;•liquido comprimido →a pressão é maior do que a pressão de saturação para uma dada temperatura.


Se uma substância é composta por uma parcela na fase líquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturação:

•Define-se uma propriedade intensiva chamada título ( ):

vaporlíquido

vapor

total

vapor

mmm

mm

x+

==

x


Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação:•Essa substância é chamada de vapor saturado;

•Vapor saturado seco para enfatizar que o título seja 100%•Vapor superaquecido →quando o vapor está a umatemperatura maior do que a temperatura de saturação;

•A pressão e temperatura do vapor super aquecido são independentes;•A temperatura pode aumentar enquanto a pressão permanece constante.


Avaliando as propriedades de um sistema compressível simples de uma substância purausando o modelo de gás perfeito:

•A temperatura e o volume específico podem ser considerados independentes•A pressão pode ser determinada como função dessas duas propriedades:

•p=p(T,ν)•o gráfico referente a essa função é uma superfície;

•Superfície p – ν – T .


Com expansão nasolidificação

Com contração nasolidificação

Regiões Monofásicas, onde o estado pode ser determinadopor duas das propriedades p-v-T

Regiões Bifásicas, onde o estado só pode ser determinadopor v e uma das propriedades p-T

Linha Tripla, onde coexistem as três fases em equilíbrio

Região de Saturação ouDomo de Vapor

Linha de LíquidoSaturado

Linha de VaporSaturado

Ponto Crítico, estado máximo onde podecoexistir, em equilíbrio, líquido e vapor


Na vista tridimensional da superfície p-ν-T pode-se observar:Regiões chamadas de sólido, líquido e vapor:

•Regiões de única fase•Determinadas pela pressão, pelo volume específico e pela temperatura

oDesde que essas propriedades sejam independentes quando uma única fase esteja presente.Entre as regiões de única fase:•Regiões de duas fases

•Onde duas fases podem existir em equilíbrio: Sólido-Líquido , Líquido-Vapor , Sólido-Vapor•Duas fases podem coexistir durante as mudanças de fases como vaporização, fusão e sublimação.•A pressão e a temperatura não são independentes, um não pode mudar sem que o outro mude também.•O estado não pode ser definido somente pela pressão ou pela temperatura;

oVolume específico e pressãooVolume específico e temperatura

As fases podem existir em equilíbrio ao longo da linha chamada de Linha Tripla (Triple Line)•O estado no qual a fase se inicia ou termina é chamada de estado de saturação.

A região na forma de domo composta pelo estado de duas fases líquido-vapor é chamada de domo :•Delimitada pelas linhas: Líquido saturado e Vapor saturado

oQue se encontram no topo do domo, denominado ponto crítico;Tc – temperatura crítica de uma substância pura, que é a máxima temperatura na qual as fases líquida e vapor podem coexistir em equilíbrio;pc – pressão crítica – que é a pressão no ponto crítico.νc – volume específico do ponto crítico

•Valores Tabelados


Projeções da Superfície p-ν-T

Diagrama de fase (p x T)•Projeção no plano pressão-temperatura•Regiões de duas fases são reduzidas a linhas

•Um ponto em qualquer uma dessas linhas representa todas asmisturas de duas fases numa pressão e temperatura particular.

•Ponto triplo (triple point)•Projeção da linha tripla da superfície p-ν-T•Ponto triplo da água 273.16K a 0,6113 kPa

•A linha que representa a região de duas fases sólido-líquido•Inclinam para esquerda quando a substância expande noresfriamento

•Inclinam para direita quando a substância se contrai noresfriamento

•Embora a região de única fase sólida seja mostrada no diagrama defase, alguns sólidos podem existir em diferentes fases sólidas:

•7 formas cristalinas da água na forma de gelo•Fases do diagrama Fe-C

•Ferrita+Perlita•Perlita+Cementita•Ferrita+Austenita


Diagrama p-ν•Projeção no plano pressão-volume específico;

•Resolução de problemas termodinâmicos usam esboços do diagrama p-ν ;•Linhas de temperatura constante (Isotermas);

•Para qualquer temperatura especificada abaixo da temperatura crítica, a pressãopermanece constante enquanto a região de duas fases (região líquido-vapor) éatravessada;

•Nas regiões de única fase líquida e vapor, em uma temperatura fixa, a pressão diminuienquanto o volume específico aumenta;

•Para temperatura igual ou acima da temperatura critica, a pressão diminuicontinuamente enquanto o volume especifico aumenta;

•A isoterma crítica passa por um ponto de inflexão no ponto crítico, onde a inclinação ézero.


Diagrama T-ν•Projeção no plano temperatura-volume específico;

•Resolução de problemas termodinâmicos usam esboços do diagrama T-ν ;•Linhas de pressão constante (Isobaricas);

•Para pressões abaixo da pressão crítica, a temperatura permanece constanteenquanto a região líquido-vapor é atravessada;

•Nas regiões de única fase líquida e vapor, em uma pressão fixa, a temperaturaaumenta enquanto o volume específico aumenta;

•Para pressões igual ou acima da pressão crítica, a temperatura aumentacontinuamente enquanto o volume especifico aumenta.

•A isobárica crítica passa por um ponto de inflexão no ponto crítico, onde ainclinação é zero.

Estados de Líquidos

Tendo 1Kg de água a uma temperatura de 20ºC e p= 1,014 bar;

São estados denominadoslíquido sub-resfriado, pois está abaixo da temperatura de saturação;Ou líquido comprimido,pois está com pressão maior que de saturação.

Mistura Bifásica Líquido Vapor

Aquecendo o líquido anterior, mas mantendo a pressão constante, alcança-se o ponto de líquido saturado;Após isso será verificada mudança de fase à temperatura constante, até o momento que todo o líquido vaporiza e alcança-se o ponto de vapor saturado;Durante o processo de mudança de fase as fases de líquido-saturado e vapor-saturado coexistem e suas quantidades são relacionadas pelo título.

χ =+

vapor

líquido vapor

mm m

Estados de Vapor

Tendo 1Kg de água a uma temperatura de 120ºC e p= 1,014 bar;

São estados denominadosVapor superaquecido, pois está acima da temperatura de saturação;Para estados acima da pressão crítica os termos vapor e líquido perdem seusignificado.

Fusão e Sublimação

Fusão

Sublimação

Vaporização

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