Disciplina: TermodinâmicaProf. Emiliane

Propriedades das substancias puras

SUBSTÂNCIA PURA

Substância pura é a substância que tem a mesma composição química em toda sua extensão. Uma substância química pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em cada fase. Exemplos de substâncias puras são: água, nitrogênio, hélio, dióxido de carbono, entre outros. O ar é uma mistura de diversos gases, mas com frequência é considerado uma substancia pura porque tem uma composição química uniforme.

FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA

O termo fase refere-se a uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo, tanto em composição química como em estrutura física. Homogeneidade em estrutura física significa que a matéria é toda solida, toda liquida ou toda vapor (ou, de forma equivalente, toda gás). Por exemplo: um sistema de água liquida e vapor d’agua (vapor) contem duas fases. Um sistema de água líquida e gelo, incluindo o caso de neve derretida, também contêm duas fases. Gases como, por exemplo, o oxigênio e o nitrogênio podem estar misturados em qualquer proporção para formar uma única fase gasosa. Certos líquidos, tais como álcool e água, que não são miscíveis, formam duas fases líquidas.

Líquido comprimido

Considere-se um dispositivo de cilindro-pistão contendo água na fase líquida a 20 °C e à pressão de 1 atm. Sob estas condições, a água está na fase líquida, e é chamada de líquido comprimido, ou um líquido sub-resfriado, o que significa que não irá se vaporizar.

Líquido saturado

À medida que mais calor é transferido, a temperatura continua a aumentar até atingir 100 ° C (estado 2). Neste ponto, a água ainda está na fase líquida, mas qualquer calor adicional ao fluido fará com que uma parte do líquido comece a se vaporizar. Isto é, uma mudança de fase, processo no qual líquido passará para a fase de vapor. Um líquido que está prestes a vaporize é chamado um líquido saturado. Portanto, o estado 2 é um estado de líquido saturado.

Mudança de faseUma vez iniciada a ebulição, a temperatura para de aumentar até que o líquido seja completamente vaporizado. Isto é, a temperatura vai manter-se constante durante o todo o processo de mudança de fase, se a pressão é mantida constante. Uma substância durante o processo de mudança de fase líquido-vapor é chamado de mistura saturada de líquido-vapor, uma vez que as fases líquidas e de vapor coexistem em equilíbrio.

Vapor saturado

À medida que continuamos a transferência de calor para o sistema, o processo de vaporização continua até a última gota do líquido ser vaporizado (estado 4). Neste ponto, todo o cilindro está cheio com vapor, que é a fronteira da fase líquida. Qualquer perda de calor do vapor fará com que parte do vapor condense (mudança de fase a partir do vapor para líquido). Um vapor que esta na fronteira para se condensar é chamado um vapor saturado.

Vapor superaquecidoUma vez que o processo de mudança de fase estiver concluído, voltamos a ter um fluido monofásico novamente (neste momento vapor), e ainda mais a transferência de calor resulta em um aumento tanto da temperatura, como do volume específico. No estado 5, a temperatura do vapor é, digamos, 300 ° C.Um vapor que não está propício a condensar-se (ou seja, não é um vapor saturado) é chamado de vapor superaquecido. Portanto, a água no estado 5 é um vapor superaquecido.

Diagrama T-v para o processo de aquecimento de água à pressão constante

Temperatura e pressão de saturaçãoA temperatura à qual ocorre a vaporização dos fluidos puros depende da pressão; portanto, se a pressão é mantida constante durante um processo, logo a temperatura correspondente a essa pressão é a temperatura na qual ocorrerá a mudança de fase.Logo, a uma dada pressão, a temperatura à qual a substância pura muda de fase é chamada de temperatura de saturação, Tsat.Do mesmo modo, a uma dada temperatura, a pressão à qual a substância pura muda de fase é chamado de pressão de saturação, Psat .

Propriedades dos diagramas de mudança de fasesO diagrama T-vO ponto 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, Tcr, pressão crítica, Pcr e volume específico crítico, vcr.Os estados de líquido saturado podem ser ligados por uma linha chamada a linha de líquido saturado, e estados de vapor saturado na mesma figura podem ser ligados por uma outra linha, chamada linha de vapor saturado. Estas duas linhas se encontram no ponto crítico. Todos os estados líquido comprimido estão localizados na região à esquerda da linha de líquido saturado, chamada região líquido comprimido. Todos os estados de vapor superaquecido de vapor estão localizadas à direita da linha de vapor saturado, chamada de região de vapor superaquecido. Todos os estados que envolvem ambas as fases em equilíbrio estão localizados sob a cúpula, chamada de região de mistura saturada de líquido-vapor.

O diagrama P-v

Considere um dispositivo pistão-cilindro que contém água em estado líquido de 1 MPa e 150 ° C. Água a este estado existe como um líquido comprimido. Os pesos no topo do êmbolo são removidos, um a um, de modo que a pressão no interior do cilindro diminui progressivamente. A água é deixada trocar calor com o ambiente, mantendo assim a sua temperatura constante. A medida que a pressão diminui, o volume da água aumenta ligeiramente. Quando a pressão atinge o valor de saturação da pressão à temperatura especificada a água começa a ebulir.

Durante este processo de vaporização, tanto a temperatura como a pressão permanece constante, mas ocorre o aumento do volume específico. (Note-se que durante o processo de mudança de fase, ocorre nenhuma retirada dos pesos, pois se o fizéssemos, a temperatura iria se alterar, e o processo não seria mais isotérmico). Uma vez que a todo líquido é vaporizado, uma maior redução na pressão resulta em mais um aumento no volume específico.

Estendendo os diagramas para incluir a fase sólidaOs princípios básicos discutidos nos processos de mudança de fase líquido-vapor,

aplicam-se igualmente a processos de mudança de fase sólido-vapor e líquido-sólido. A maioria das substâncias durante um processo de solidificação se contraem. Outros,

como a água, se expandem quando se solidificam. Os diagramas de P-v para ambos os grupos de substâncias são apresentados nas

figuras a seguir.Diagrama P-v de uma substância que se contrai durante a solidificação

Diagrama P-v de uma substancia que se expande durante a solidificação

O ponto triplo de pressão e temperaturaEstamos familiarizados com duas fases permanecerem em equilíbrio, mas sob algumas condições todas as três fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio.Nos diagramas P-v ou T-v, esses estados de três fases formam uma linha chamada de linha tripla. Os estados da linha tripla de uma substância tem a mesma pressão e temperatura, mas diferentes volumes específicos. A linha tripla aparece como um ponto sobre os diagramas P-T e, por isso, muitas vezes é chamado o ponto triplo.

O diagrama P-TEste diagrama é muitas vezes chamado o diagrama de fase, uma vez todas as três fases estão separadas umas das outras por três linhas.

O diagrama P-v-T O estado de uma substância simples compressível é fixada por quaisquer duas propriedades intensivas independentes. Logo, podemos representar o comportamento P-v-T de uma substância como uma superfície no espaço.

Superfície P-v-T de uma substância que contrai durante o congelamento.

As superfícies P-v-T apresentam uma grande quantidade de informações de uma só vez, mas em uma análise termodinâmica é mais conveniente para trabalhar com diagramas bidimensionais, como os diagramas P-v e T-v.

Superfície P-v-T de uma substância que expande durante o congelamento.

Tabelas de propriedades Estados de líquido saturado e vapor saturado As propriedades do líquido saturado e de vapor saturado de água estão listados na Tabelas A-4 e A-5 do livro texto. Ambas as tabelas nos fornecem a mesma informação. A única diferença que está na Tabela A-4 propriedades estão listadas em função da temperatura e na Tabela A-5 em função da pressão.

Exemplo 1: Pressão de líquido saturado em um tanque Um tanque rígida contém 50 kg de água líquida

saturada a 90 °C. Determine a pressão no tanque e o volume do tanque.

Exemplo 2: Mudança de Volume durante a evaporaçãoUma massa de 200 g de água no estado líquido saturado é

completamente vaporizado a uma temperatura constante pressão de 100 kPa. Determine a variação do volume do sistema.

Mistura líquido-vapor saturadoPara 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:

ou

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 e 1. Considere-se um tanque que contém uma mistura saturada de líquido-vapor. O volume ocupado pelo líquido saturado é Vf, e o volume ocupado pelo vapor saturado é Vg. O volume V total é a soma dos dois:

Exemplo 3: Pressão e volume de uma mistura saturadaUm tanque rígido contém 10 kg de água a 90 °C. Se 8 kg de água na forma líquida e o restante na forma de vapor, determinar (a) a pressão no tanque e (b) o volume do tanque.

Exemplo 4: Propriedades de Mistura Saturada líquido-vapor Um recipiente de 80 L contém 4 kg de refrigerante 134a a uma pressão de 160 kPa. Determinar (a) a temperatura, (b) o título e (c) o volume ocupado pela fase de vapor.

dividindo por mt temos :

Vapor superaquecido Uma vez que a região é uma região superaquecida

monofásica (fase de vapor, apenas), temperatura e pressão não são mais propriedades dependentes e podem convenientemente ser usados como as duas propriedades independentes.

Nestas tabelas, as propriedades são listadas em função da temperatura durante selecionadas pressões, começando com os dados de vapor saturado. A temperatura de saturação é dada em parênteses seguindo o valor da pressão.

Em comparação com vapor saturado, o vapor superaquecido é caracterizada por apresentar:• Pressões mais baixas (P < Psat a uma dada T)• Temperaturas mais elevadas (T > Tsat a uma dada P)• Maiores volumes específicos (v > vg a uma dada P ou T)• Energias internas mais elevadas (u > ug a uma dada P ou T) • Entalpias elevadas (h > hg a uma dada P ou T).

Líquido comprimido/sub-resfriadoTabelas de líquidos comprimidos não são tão comuns, e a Tabela A-7 é a única tabela de líquido comprimido disponível. Uma razão para a falta de dados, líquido comprimido é a relativa independência dos líquidos comprimido com a propriedade de pressão. Variação de propriedades de líquido comprimido com pressão é muito pequena. O aumento da pressão em 100 vezes, muitas vezes faz com que as propriedades do fluido se altere menos de 1 por cento.Na ausência de dados de líquidos comprimidos, uma aproximação geral é tratar líquido comprimido como líquido saturado a uma dada temperatura.Isto é porque as propriedades do líquido comprimido são muito mais dependentes da temperatura do que da pressão.

Em geral um líquido comprimido é caracterizado por apresentar:• Pressões mais elevadas (P > Psat a uma dada T)• Temperaturas mais baixa (T < Tsat a uma dada P)• Menores volumes específicos (v < vl a uma dada P ou T)• Energias internas específicas menores (u < ul a uma dada P ou T) • Entalpias específicas menores (h < hl a uma dada P ou T)

Equação de estado do gás idealQualquer 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 absoluta, T é a temperatura absoluta, e v é o volume específico do gás.

A constante de gás R é diferente para cada gás e é determinada a partir de

onde Ru é a constante universal dos gases e M é a massa molar (também chamado de peso molecular) do gás. A constante Ru é a mesma para todas as substâncias, e o seu valor é

A massa de um sistema é igual ao produto da sua massa molar M e o seu respectivo número de moles N:

Os valores de R e M para várias substâncias são apresentados na Tabela A-1A equação de estado dos gases ideais pode ser escrito de várias formas diferentes:

onde é vo volume molar específico, isto é, o volume por unidade de moles (em m3 / kmol).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: