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PMT2305 – FÍSICO-QUÍMICA PARA

METALURGIA E MATERIAIS I

PMT 2305- Físico-Química para Metalurgia e Materiais I - Neusa Alonso-Falleiros 1


PMT 2305

Físico-Química para Metalurgia e Materiais I

INTRODUÇÃO

• Físico-Química

– Estado final dos sistemas: equilíbrio; rendimento

• TERMODINÂMICA: 1a. e 2a. Leis

– Velocidade das reações: mecanismos

• CINÉTICA: Equação de Arrhenius; Leis de Fick


Definições • Sistema: conjunto de componentes, ou porção do universo que se deseja

analisar sob as leis da termodinâmica

– Abertos, Fechados , Isolados

• Meio Externo; Universo

• Fronteira

– Adiabática; Diatérmica

• Estado Termodinâmico ou Estado

– Função Termodinâmica; Função de Estado ou Propriedade

• Termodinâmica: Clássica; Estatística

• Transformação: é a mudança de estado

– Processo: estados percorridos pela transformação

• Equilíbrio: espontaneamente, o sistema não altera esse estado

Leitura recomendada:

1. CAVALLANTE, F. L.; LÚCIO. A. Físico-Química Metalúrgica - ABM, São Paulo, 1984 (5°.

impressão ou outras disponíveis).

2. ALONSO-FALLEIROS, N. Apostila para a disciplina PMT2305 (em pdf no COL).

3. GASKELL, D. R. Introduction to Metallurgical Thermodynamics, McGraw-Hill Kogakusha,

LTD. Tokyo. Copyright 1973. Chapter One – “Introduction and Definition of Terms”.


Propriedade Fundamental das Funções Termodinâmicas

• V: para a mesma transformação a variação de volume independe

do processo utilizado.

– V : função

– estados inicial e final: pontos

– variação: 2

1dVV 12 VV

Independente do

caminho de

integração, a

variação vale:

–A função V tem diferencial exata: dV


Propriedade Fundamental

das Funções Termodinâmicas

Ref.: Gaskell, p.2.


• Propriedades das diferenciais exatas

0df

12

2

1ffdf

dyy

fdx

x

fdf

xy

Em análises termodinâmicas

correntemente é necessário o

conhecimento do valor da

variação da função com a

transformação; o processo

geralmente não é conhecido e, não

é necessário conhecê-lo para a

análise termodinâmica.


Princípio Zero

Estabelece critério objetivo para medição da T

SA ; SB ; SC

SA SB SC , então: SA SC

PA, VA SB

PA', VA' SB

PA'', VA'' SB

PA''', VA''' SB

Então existe:

f (PA, VA ) = cte

Para gases ideais:

PV = cte = RT


Princípio Zero

Estabelece critério objetivo para medição da T

SA ; SB ; SC

SA SB SC , então: SA SC

PA, VA SB

PA', VA' SB

PA'', VA'' SB

PA''', VA''' SB

Existem pares PA, VA que mantém o sistema

A em equilíbrio com o sistema B.

Isso significa que há uma propriedade do

sistema A, que é igual a do sistema B, e que

se mantem constante para esses pares de

pontos PA, VA.

Essa propriedade é chamada de

TEMPERATURA do sistema.


Volume de A

Pre

ssão d

e A

A função f chama-se isoterma,

seu valor constante para cada ponto (PA, VA), chama-se temperatura,

e o sistema SB , chama-se termômetro.


Primeira Lei: trabalho e calor

• Trabalho

- trabalho de expansão/compressão

w = PdV

- trabalho de criar superfície

w = dA

- trabalho elétrico

w = qdE


Primeira Lei: trabalho e calor

• Trabalho


w = PdV

Figura baseada em: DeHOFF, R. T. Thermodynamics in Materials Science,

McGraw-Hill, New York, 1993. Figure 3.3, p.28.


Fdx)Ax(dA

FPdVw

O trabalho de Expansão/Compressão,

bem como as outras formas de

trabalho, são combinações da

expressão fundamental:

Fdxw


Fdx).x(dF

dAw

:erfíciesupcriarparaTrabalho

ll

• Trabalho


w = PdV

- trabalho de criar superfície

w = dA


Tensão Superficial

Os sistemas condensados (sólidos e líquidos) tendem a assumir

formas que minimizam a área superficial, maximizando, assim,

o número de moléculas que se encontram em seu volume e

dessa forma permanecem ligadas a outras moléculas.

A forma volumétrica de menor razão superfície/volume é a

esfera, por isso, sistemas líquidos tendem a formar gotas.

No entanto, outras forças presentes competem com a tendência

de assumir essa forma ideal, por exemplo, a força da gravidade

pode achatar os líquidos, formando filmes e poças.


A energia de ligação entre as moléculas do líquido, a

aplicação de forças – gravidade – originam a Energia de

Superfície.

A Energia de Superfície pode ser discutida em termos de

∆AV,T e ∆GP,T (energias livres de Helmholtz e Gibbs –

assunto que será apresentado nesta disciplina).

Particularmente, a ∆AV,T vale o trabalho realizado pelo

sistema, quando ocorre uma variação de área de superfície.

Assim, a Energia de Superfície pode ser estudada através

do trabalho necessário para alterar a área em certa

quantidade.


O trabalho (W) necessário para alterar a área em certa

quantidade é proporcional à variação da área de superfície

(∆S).

A constante de proporcionalidade é a Tensão Superficial: .

Assim tem-se que o trabalho para variar o tamanho da

superfície vale:

dAw


Como trabalho sempre é função do produto entre força

aplicada e distância, resulta que a tensão superficial vale:

l

F

lll

F

dx.

Fdx

).dx(

Fdx

dA

Fdx

dAFdxw

:ou

Obs:

[] = [energia]/[área] = J.m-2 ou N.m-1, já que 1J = 1N.m


Trabalho Elétrico:

w = qdE

q : (não confundir com a função calor) é a quantidade de carga transportada através de

um campo elétrico .

F : força atuante sobre a carga; vale: F = q.

: campo elétrico, dado pela ddp dE por distância percorrida dx: = dE/dx.

dx.FwdE.

dx

dE

Fw

dx

dE,e

Fq,mas

dE.qw


Convenções:

• w realizado pelo sistema: negativo

• q fornecido pelo sistema ao meio externo (exotérmico): negativo

• w recebido pelo sistema: positivo

• q recebido pelo sistema (endotérmico): positivo


Experiências de Joule e Primeira Lei

H2O

Adiabático

T1 T2

H2O

Diatérmico

T1 T2

Troca calor com ME

Q 0 Q = 0


Esquema dos resultados das experiências de Joule e a relação da

Primeira Lei.

Estados Adiabático Diatérmico

W + Q Processo Inicial Final W Q W Q

T1 T2

T1 T2

T1 T2

elétrico

mecânico

expansão

0

0

0

T3 T4

T3 T4

T3 T4

elétrico

mecânico

expansão

0

0

0

elétrico

mecânico

expansão


Primeira Lei

• Sistema Adiabático: U = Ufin - Uin = W

Aqui, todo o W é transformado em U; como U é função termodinâmica e os estados inicial e final são os mesmos, U é constante (não depende do processo), e implica W também constante (mas, trabalho depende do processo).

• Sistema Diatérmico U = W + Q

• Forma diferencial

dU = w + q

Palavras-chave:

• Termodinâmica

• Sistema; Fronteira; Meio Externo; Universo

• Função Termodinâmica (propriedade fundamental)

• Diferencial Exata

• Princípio Zero

• Trabalho e Calor

• Primeira Lei ou Primeiro Princípio


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