Download - Aula 04_Substancias 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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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 .
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
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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
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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
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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.
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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.