PROPRIEDADES TERMODINAMICAS

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PROPRIEDADES TERMODINMICAS

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2 - PROPRIEDADES DE UMA SUBSTNCIA PURA

2.1 - Substncia Pura Substncia pura aquela que tem composio qumica invarivel e homognea. Pode existir em mais de uma fase, mas a sua composio qumica a mesma em todas as fases. Assim gua lquida e vapor d'gua ou uma mistura de gelo e gua lquida so todas substncia puras, pois cada fase tem a mesma composio qumica. Por outro lado uma mistura de ar lquido e gasoso no uma substncia pura, pois a composio qumica da fase lquida diferente daquela da fase gasosa. Neste trabalho daremos nfase quelas substncias que podem ser chamadas de substncia simples compressveis. Por isso entendemos que efeitos de superfcie, magnticos e eltricos, no so significativos quando se trata com essas substncias. Equilbrio de Fase Lquido - Vapor - Considere-se como sistema 1 kg de gua contida no conjunto mbolo-cilindro como mostra a figura 2.1-1. Suponha que o peso do mbolo e a presso atmosfrica local mantenham a presso do sistema em 1,014 bar e que a temperatura inicial da gua seja de 15 OC. medida que se transfere calor para a gua a temperatura aumenta consideravelmente e o volume especfico aumenta ligeiramente (Fig. 2.1-1b) enquanto a presso permanece constante.

Figura 2.1-1 - Representao da terminologia usada para uma substncia pura presso P e temperatura T, onde Tsat a temperatura de saturao na presso de saturao P.

Quando a gua atinge 100 OC uma transferncia adicional de calor implica em uma mudana de fase como mostrado na Fig. 2.1-1b para a Fig. 2.1-1c, isto ,

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uma parte do lquido torna-se vapor e, durante este processo, a presso permanecendo constante, a temperatura tambm permanecer constante mas a quantidade de vapor gerada aumenta consideravelmente (aumentado o volume especfico), como mostra a Fig. 2.1-1c. Quando a ltima poro de lquido tiver vaporizado (Fig. 2.1-1d) uma adicional transferncia de calor resulta em um aumento da temperatura e do volume especfico como mostrado na Fig. 2.1-1e e Fig. 2.1-1f Temperatura de saturao - O termo designa a temperatura na qual se d a vaporizao de uma substncia pura a uma dada presso. Essa presso chamada presso de saturao para a temperatura dada. Assim, para a gua (estamos usando como exemplo a gua para facilitar o entendimento da definio dada acima) a 100 oC, a presso de saturao de 1,014 bar, e para a gua a 1,014 bar de presso, a temperatura de saturao de 100 oC. Para uma substncia pura h uma relao definida entre a presso de saturao e a temperatura de saturao correspondente. Lquido Saturado - Se uma substncia se encontra como lquido temperatura e presso de saturao diz-se que ela est no estado de lquido saturado, Fig.2.1-1b. Lquido Subresfriado - Se a temperatura do lquido menor que a temperatura de saturao para a presso existente, o lquido chamado de lquido sub-resfriado (significa que a temperatura mais baixa que a temperatura de saturao para a presso dada), ou lquido comprimido, Fig. 2.1-1a, (significando ser a presso maior que a presso de saturao para a temperatura dada). Ttulo (x) - Quando uma substncia se encontra parte lquida e parte vapor, vapor mido, Fig. 2.1-1c, a relao entre a massa de vapor pela massa total, isto , massa de lquido mais a massa de vapor, chamada ttulo. Matematicamente:

x=

mv mv = ml + mv mt

(2.1-1)

Vapor Saturado - Se uma substncia se encontra completamente como vapor na temperatura de saturao, chamada vapor saturado, Fig. 2.1-1d, e neste caso o ttulo igual a 1 ou 100% pois a massa total (mt) igual massa de vapor (mv), (freqentemente usa-se o termo vapor saturado seco) Vapor Superaquecido - Quando o vapor est a uma temperatura maior que a temperatura de saturao chamado vapor superaquecido Fig. 2.1-1e. A presso e a temperatura do vapor superaquecido so propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma presso constante. Em verdade, as substncias que chamamos de gases so vapores altamente superaquecidos. A Fig. 2.1-1 retrata a terminologia que acabamos de definir para os diversos estados termodinmicos em que se pode encontrar uma substncia pura.

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Consideraes importantes 1) Durante a mudana de fase de lquido-vapor presso constante, a temperatura se mantm constante; observamos assim a formao de patamares de mudana de fase em um diagrama de propriedades no plano T x v ou P x v, como mostrado na Fig. 2.2-1. Quanto maior a presso na qual ocorre a mudana de Fase lquido-vapor maior ser a temperatura. 2) Aumentando-se a presso observa-se no diagrama que as linhas de lquido saturado e vapor saturado se encontram. O ponto de encontro dessas duas linhas define o chamado "Ponto Crtico". Presses mais elevadas que a presso do ponto crtico resultam em mudana de fase de lquido para vapor superaquecido sem a formao de vapor mido.

Figura 2.2-1 diagrama T x v e diagrama P x v

3) A linha de lquido saturado levemente inclinada em relao vertical pelo efeito da dilatao volumtrica (quanto maior a temperatura maior o volume ocupado pelo lquido), enquanto a linha de vapor saturado fortemente inclinada em sentido contrrio devido compressibilidade do vapor. A Fig. 2.2-1b mostra o diagrama P -V no qual fcil visualizar as linhas de temperatura constante e o ponto de inflexo da isoterma crtica Como exemplo, o ponto crtico para a gua, : Pcrtica = 22,09 MPa Tcrtica = 374,14 OC Vcritico = 0,003155 m3 / kg Ponto Triplo - Corresponde ao estado no qual as trs fases (slido, lquido e gasosa) se encontram em equilbrio. A Fig. 2.3-1 mostra um diagrama de fases (P x T). Para qualquer outra substncia o formato do diagrama o mesmo.

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Uma substncia na fase vapor com presso acima da presso do ponto triplo muda de fase (torna-se lquido) ao ser resfriada at a temperatura correspondente na curva de presso de vapor. Resfriando o sistema ainda mais ser atingida uma temperatura na qual o lquido ir se solidificar. Este processo est indicado pela linha horizontal 123 na Fig. 2.3-1. Para uma substncia na fase slida com presso abaixo da presso do ponto triplo ao ser aquecida observe que, mantendo a presso constante, ser atingida uma temperatura na qual ela passa da fase slida diretamente para a fase vapor, sem passar pela fase lquida, como mostrado na Fig. 2.3-1 no processo 45. Como exemplo a presso e a temperatura do ponto triplo para a gua corresponde a 0,6113 kPa e 0,01 OC respectivamente.Figura 2.3-1 Diagrama de fases para a gua (sem escala)

2.2 - Propriedades Independentes das Substncias Puras

Uma propriedade de uma substncia qualquer caracterstica observvel dessa substncia. Um nmero suficiente de propriedades termodinmicas independentes constituem uma definio completa do estado da substncia. As propriedades termodinmicas mais comuns so: temperatura (T), presso (P), e volume especfico (v) ou massa especfica (). Alm destas propriedades termodinmicas mais familiares, e que so diretamente mensurveis , existem outras propriedades termodinmicas fundamentais usadas na anlise de transferncia de energia (calor e trabalho), no mensurveis diretamente, que so: energia interna especfica (u), entalpia especfica (h) e entropia especfica (s). Energia Interna (U) - a energia possuda pela matria devido ao movimento e/ou foras intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes: a - Energia cintica interna, a qual devida velocidade das molculas e, b - Energia potencial interna, a qual devida foras de atrao que s existem entre as molculas. As mudanas na velocidade das molculas so identificadas macroscopicamente pela alterao da temperatura da substncia (sistema), enquanto que as variaes na posio so identificadas pela mudana de fase da substncia (slido, liquido ou vapor) Entalpia (H) - na anlise trmica de alguns processos especficos, freqentemente encontramos certas combinaes de propriedades termodinmicas. Uma dessas combinaes ocorre quando temos um processo a

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presso constante, resultando sempre uma combinao (U + PV). Assim considerou-se conveniente definir uma nova propriedade termodinmica chamada ENTALPIA, representada pela letra H, determinada matematicamente pela relao: H=U+PV ou a entalpia especfica, h=u+P (2.2-2) (2.2-1)

Entropia (S) - Esta propriedade termodinmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substncia ou, segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrncia de um dado estado da substncia. Matematicamente a definio de entropia Q dS = T reversivel

(2.2-3)

2.3 - Equaes de Estado Equao de estado de uma substncia pura uma relao matemtica que correlaciona presso temperatura e volume especfico para um sistema em equilbrio termodinmico. De uma maneira geral podemos expressar de forma genrica essa relao na forma da Eq. (2.3-1) f(P, v, T) = 0 (2.3 -1)

Existem inmeras equaes de estado, muitas delas desenvolvidas para relacionar as propriedades termodinmicas para uma nica substncia , outras mais genricas, por vezes bastante complexas, com objetivo de relacionar as propriedades termodinmicas de vrias substncias. Uma das equaes de estado mais conhecida e mais simples aquela que relaciona as propriedades termodinmicas de presso, volume especfico e temperatura absoluta do gs ideal, que ;

P=T

_

(2.3-2)_

onde P, a presso absoluta (manomtrica + baromtrica), em Pascal, , o volume molar especfico, em m3/kmol, a constante universal do gs, que vale, = 8,314 kJ/kmol-K, e T a temperatura absoluta, em Kelvin. A Eq. (2.3-2) p