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PMT2305 - Fsico-qumica para Metalurgia e Materiais I

Profa. Neusa Alonso-Falleiros - 2012

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APOSTILA PARA A DISCIPLINA

PMT 2305 - FSICO-QUMICA PARA METALURGIA E MATERIAIS I

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Profa. Neusa Alonso-Falleiros - 2012

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SUMRIO

1. Introduo ................................................................................................................... 4

2. Noes Fundamentais ................................................................................................. 5

2.1. Definies ............................................................................................................... 5

2.2. Propriedade Fundamental das Funes Termodinmicas ....................................... 8

2.3. Princpio Zero da Termodinmica ........................................................................ 11

2.4. Trabalho ................................................................................................................ 12

3. Primeiro Princpio (ou Primeira Lei) da Termodinmica ......................................... 14

3.1. Energia Interna - Experincias de Joule ................................................................ 15

3.2. Funo Calor e a Primeira Lei .............................................................................. 16

3.3. Convenes ........................................................................................................... 17

4. Entalpia ..................................................................................................................... 18

4.1. Capacidade Calorfica ........................................................................................... 19

4.2. Entalpia das Reaes (Qumicas) .......................................................................... 24

4.3. Equao de Kirchhoff ........................................................................................... 27

4.4. Balano Trmico ................................................................................................... 29

5. Exerccios .................................................................................................................. 30

6. Segunda Lei da Termodinmica ................................................................................ 34

6.1. O significado de processos reversveis, irreversveis e de degradao em um dado

processo ............................................................................................................................. 36

6.2. Conseqncias do Ciclo de Carnot ....................................................................... 42

6.3. A funo termodinmica S, denominada Entropia e definida por T

qdS rev

. 43

6.4. Expresso matemtica da Segunda Lei em termos da funo entropia ................. 45

7. Exerccios .................................................................................................................. 48

8. Potenciais Termodinmicos ...................................................................................... 50

8.1. Estabelecimento de critrio de equilbrio .............................................................. 50

8.2. Expresses diferenciais das funes termodinmicas ........................................... 54

8.3. Equao de Gibbs-Helmholtz ............................................................................... 55

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8.4. Equao de Clausius-Clapeyron ........................................................................... 58

8.5. Diagrama de fases para sistema unicomponente ................................................... 61

9. Exerccios .................................................................................................................. 67

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1. Introduo

Atravs da Fsico-Qumica obtm-se os principais recursos tericos para entender como e

porque ocorrem os processos na Engenharia Metalrgica e de Materiais. Os processos

nestas engenharias so reaes ou conjunto delas. O nome Reao Qumica poderia ser

utilizado, mas a diversidade das reaes pode tornar este nome um pouco inadequado.

Alguns exemplos de reaes so:

- reaes slido / gs: reaes de reduo de xidos de metais pelo CO ou pelo H2;

- reaes slido / slido: precipitao de ferrita a partir da austenita dos aos carbono;

- reaes slido / lquido: reaes de corroso de metais pelos cidos; reaes de

deposio de ons de metais sobre outros metais (por exemplo, cobre , nquel ou zinco

sobre o ferro);

- reaes lquido / lquido: reaes entre metal lquido e escria nos processos de

refino;

- reaes de polimerizao;

- reaes de sinterizao, entre outras.

Para entender porque estas reaes ocorrem e com que velocidade elas ocorrem

necessrio entender a Fsico-Qumica. Conceitos como a Primeira e Segunda Leis da

Termodinmica so utilizados para determinar a viabilidade e o estado final do sistema

que passa por um dado processo. Conceitos como a Lei de Arrhenius, Energia de

Ativao, Primeira e Segunda Leis de Fick so necessrios para determinar velocidades

de transformaes (reaes) em sistemas. Tudo isso faz parte da Fsico-Qumica.

A Fsico-Qumica pode ser separada em duas cincias: a Termodinmica e a Cintica. A

Termodinmica esclarece qual a possibilidade de ocorrncia de uma transformao

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(reao), qual o seu balano energtico e at que ponto o sistema pode evoluir ou, reagir

(aqui os resultados importantes so: equilbrio e rendimento terico). A Cintica, estuda

os mecanismos dos processos: quais so as etapas e com que velocidades elas ocorrem.

A disciplina PMT 2305 dedica-se Termodinmica das reaes que ocorrem nas

aplicaes da Engenharia Metalrgica e de Materiais.

2. Noes Fundamentais

2.1. Definies

Algumas palavras so utilizadas com freqncia nos textos de Fsico-Qumica. Por isso,

necessria sua apresentao e explicao de seu significado: sistema, meio externo,

universo, fronteira, estado termodinmico, funo termodinmica, termodinmica

clssica, termodinmica estatstica, transformao, processo, equilbrio. Nem todos os

autores de obras na rea da Fsico-Qumica (escritos na lngua portuguesa ou inglesa)

adotam o mesmo vocabulrio (e principalmente, no adotam a mesma simbologia). Para

evitar erros, necessrio ateno a estes detalhes.

A palavra sistema, significa a poro ou conjunto de componentes cujo comportamento

se deseja analisar atravs dos conhecimentos da Fsico-Qumica. Tudo que no sistema,

constitui o meio externo. E, o conjunto formado pelo sistema mais meio externo,

chamado de universo. Separando o sistema do meio externo existe uma superfcie real ou

imaginria chamada fronteira. Dependendo do estudo fsico-qumico que est sendo

realizado, necessrio considerar o sistema, o meio externo e o universo. Para efeito de

anlise, o universo e/ou meio externo termina onde os fenmenos que esto ocorrendo no

sistema, no exercem mais nenhuma influncia no meio externo. Por exemplo: uma

amostra de ao Fe-C foi colocada num forno a 900C. A atmosfera do forno contm ar, o

que permite a reao do O2 com o Fe e/ou C, formando xidos de ferro e gs CO. Estas

reaes envolvem trocas de massa e energia. No entanto, as pessoas ou os objetos que

esto do lado de fora do forno no so afetados por estas trocas de massa e energia que

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esto ocorrendo no interior do forno (considerando-se que o forno bem vedado). Neste

exemplo, o sistema pode ser a amostra de ao e o meio externo o interior do forno

(constitudo pela fase gasosa presente). A fronteira a superfcie da amostra de ao. O

universo, constitudo pela amostra de ao mais o forno, termina na parede do forno, no

sendo necessrio considerar a sala, ou prdio, ou etc como partes do meio externo.

Os sistemas podem ser classificados em trs tipos: abertos quando a sua fronteira com o

meio externo permite a troca de massa e energia; fechados, quando a fronteira permite

apenas a troca de energia; isolados, quando atravs da fronteira no possvel trocar

massa nem energia. O universo um exemplo de sistema isolado. Por sua vez, as

fronteiras podem ser classificadas em adiabticas (no permitem a troca de calor1 com o

meio externo) e diatrmicas (permitem a troca de calor com o meio externo). Estas

classificaes so importantes, pois na Termodinmica h critrios para avaliar a

espontaneidade das transformaes de um dado sistema e estes critrios exigem que o

sistema esteja em condies especficas. Por exemplo: o Segundo Princpio da

Termodinmica somente se aplica a sistemas adiabticos, portanto, no pode ser aplicado

a um sistema que apresenta troca de calor com o meio externo.

O estado termodinmico ou simplesmente estado a condio particular em que se

encontra o sistema. Este estado identificado pelos valores assumidos por variveis tais

como presso (P), volume (V), temperatura (T), tenso superficial, viscosidade, ndice de

refrao e outros. No exemplo da amostra de ao, o estado termodinmico do s