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1 – Conceitos básicos2 – Comportamento de gases3 – As leis da termodinâmica 3.1 – A primeira lei da termodinâmica 3.2 – A segunda lei da termodinâmica 3.3 – Representação matemática da primeira e da segunda lei 3.4 – Relações matemáticas entre a primeira e a segunda lei4 – Termodinâmica e as reações químicas5 – Equilíbrio6 – Compostos Simples7 – Soluções8 – Diagrama de equilíbrio 8.1 - regra das fases 8.2 - Diagramas de equilíbrio binário 8.3 - Diagramas de equilíbrio ternário9 – Diagrama de Ellingham

Ementa

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Material Didático

Livro Texto Principal

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Material Didático

Textos específicos em – Termodinâmica em materiais

MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and Materials Science ; Departments of chemical engineering and materials science and engineering.http://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.html

GASKELL, David R.; Introduction to metallurgical thermodynamics. Mc Graw-hill book company. New York, 1981, 610p.

RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309.

RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309.

ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. Físico-Química, Uma aplicação aos materiais. Rio de Janeiro, 2002, 606p.

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Material Didático

Textos em Termodinâmica química ou Físico-Química

ATKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de Janeiro, 1999, 251.

SMITH, J.M.; Introdução à termodinâmica da Engenharia Química. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000, 697

Textos – Diagramas de equilíbrio

SEGADÃES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria e aplicação em cerâmica. Editora Edgard blucher LTDA. São Paulo, 1987, 184p. BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibria in ceramics. The American Ceramic Society Inc., Columbus, Ohio, 1984,156p.

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Britânicos inventam ovo cozido

"auto-cronometrado"

espectro bastante abrangente como ciência da ENERGIA

relações entre as PROPRIEDADES da matéria.

Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade

Estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz.

Atualmente

Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria

Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança

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O que é termodinâmica?

A Termodinâmica está associada ao estudo de formas de energia e como esta pode ser convertida em outras formas de energia e trabalho.

Termodinâmica clássica:

Tem seus conceitos focalizados na análise de propriedades macroscópicas do sistema e o estudo da relação entre estas propriedades. Baseia-se no estudo de fenômenos e na determinação empírica das relações de interesse. – SISTEMA TRATADO COMO CONTÍNUO

A termodinâmica clássica fornece as ferramentas físicas e matemáticas para determinar como as propriedades de um material serão alteradas em função de alterações do sistema.

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O que é termodinâmica?

Termodinâmica estatística: Utiliza como ferramenta a descrição estatística do comportamento do sistema a parir do comportamento de cada átomo do sistema, individualmente.

A termodinâmica estatística parte do princípio que conhecendo o comportamento do material a nível microscópico é possível prever suas propriedades macroscópicas.

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O que é termodinâmica?

Termodinâmica clássica

X

Termodinâmica estatística

Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta

para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas.

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Termodinâmica – Energia - Materiais

Comprimento de ligação

F F

r

EoEnergia de ligação

Energia (E)

ro r

Comprimento de ligação

Energia de Ligação

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Termodinâmica – Energia - Materiais

Formação de defeitos

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Termodinâmica – Temperatura - Materiais

Transformação de fase

Diagrama de Equilíbrio

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Termodinâmica – Temperatura - Materiais

Diagrama de Equlíbrio

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SHS

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Cientistas estudam as efervescentes cócegas no nariz provocadas pelas emanações aromáticas, característica excitante e inconfundível do seu encanto

A QUÍMICA QUE ESTRUTURA AS BOLHAS DO CHAMPANHE

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No CHAMPANHE e nas cervejas, o dióxido de carbono ( CO2 ) é o

principal responsável pela formação de bolhas, originadas quando o levedo fermenta os açúcares, convertendo-os em moléculas de álcool e CO2. A carbonatação industrial é a fonte da fermentação

nas bebidas gasosas.

Após o engarrafamento, estabelece-se um equilíbrio, de acordo com a lei de Henry, entre o CO2 dissolvido no líquido e o gás que

está no espaço sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a quantidade de gás dissolvida em um fluido é proporcional à pressão do gás com o qual está em equilíbrio.

Quando o recipiente é aberto, a pressão do CO2 gasoso sobre o

líquido cai abruptamente, rompendo o equilíbrio termodinâmico até então prevalecente. Como resultado, o líquido é supersaturado com moléculas de CO2.

lei de Henry

Equilíbrio

equilíbrio termodinâmico

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Para recuperar uma estabilidade termodinâmica correspondente à pressão atmosférica, as moléculas de CO2 devem abandonar o

fluido supersaturado. Quando a bebida é vertida em um copo, dois mecanismos permitem que o CO2 dissolvido escape: a difusão do

líquido através da superfície livre e a formação de bolhas.

Mas, para que se agrupem em bolhas embrionárias, as moléculas dissolvidas de dióxido de carbono são forçadas a abrir caminho através das moléculas líquidas agregadas, que estão fortemente ligadas pelas forças de van der Waals (atração bipolar).

Assim, a formação de bolhas é limitada por esta barreira de energia; para superá-la são necessárias taxas de supersaturação mais elevadas que as de bebidas carbonatadas.

estabilidade termodinâmica

barreira de energia;

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Em líquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe, vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formação de bolhas , exige cavidades de gás preexistentes com raios de curvatura extensa o suficiente para superar a barreira de nucleação de energia e desenvolver-se livremente.

Isto se dá porque a curvatura da interface da bolha acarreta um excesso de pressão no interior da bolsa de gás que é inversamente proporcional ao seu raio (de acordo com a lei de Laplace) .Quanto menor a bolha, maior o excesso

raios de curvaturabarreira de nucleação de energia

curvaturainterface

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Resumo de termodinâmica

As leis da termodinâmica: Fornecem as regras básicas que governam as relações entre variáveis de um sistema. De uma forma geral, são as restrições que a natureza impõe ao processo de transformação de energia.

Definições termodinâmicas: São definidos parâmetros como capacidade calorífica, compressibilidade, coeficiente de expansão térmica, entalpia, energia livre de Helmoltz e energia livre de Gibbs.

Variáveis termodinâmicas: O estado de um sistema é definido em função dos valores de algumas propriedades, ou variáveis do sistema. As diferentes variáveis que podem ser usadas para descrever este estado incluem energia, entropia, composição química, temperatura, pressão e volume.

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Resumo de termodinâmica

Funções de estado: Está associado com variáveis onde o processo depende apenas das condições iniciais e finais, e independe da história do sistema.

Relações matemáticas: Existem quatro relações que podem ser determinadas a partir de funções de estado. Estas relações são denominadas por relações de Maxwell.

Condições de equilíbrio: Um sistema está em equilíbrio quando todas as suas propriedades são independentes do tempo e são função apenas de suas variáveis de estado. Deve-se tomar cuidado com esta definição já que em algumas situações a variação de uma propriedade com o tempo é muito lenta, podendo ser confundido com uma condição de equilíbrio.

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Definições - Sistema

Sistema :

Refere-se à região macroscópica do universo definida e selecionada para análise. Pode ser de qualquer tamanho, podendo até ser considerado todo o universo como um sistema.

SISTEMA

VIZINHANÇA FRONTEIRA

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Definições – Tipos de Sistemas

Aberto : É aquele em que existe troca de energia e troca de massa entre sistema e vizinhança

Fechado: É aquele em que existe troca de energia mas não existe troca de massa.

Isolado: Sistemas onde não ocorre troca de material ou energia.

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Definições – Tipos de Sistemas

Sistemas puros ou compostos: Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância. Esta substância pode ser um elemento atômico (Silício) ou uma molécula (água pura). Multicomponentes apresentam várias substâncias.

Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias fases.

Reativo ou não reativo: sistemas reativos envolvem a formação ou dissociação de ligações químicas.

Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é influenciado por energias diferentes da energia mecânica, química ou térmica.

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Definições - Sistema

Sistema :

SISTEMA

VIZINHANÇA FRONTEIRA

SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO

FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE

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Definições – Função de estado

Funções de estado: São variáveis ou propriedades de um sistema que são independentes da história do sistema, dependendo apenas do estado inicial e final do sistema. As funções de estado não dependem do processo pelo qual o sistema foi levado a este estado.

EXEMPLO - Temperatura

AB

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Definições – Função de estado

(outra definição)

Características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema.

Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo.

AB

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Definições – Estado

Condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse

subconjunto.

PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades.

ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o tempo.

CICLO TERMODINÂMICO: Seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.

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Definições – Variável de sistema

Variáveis do sistema: Ao contrário das funções de estado, as variáveis do sistema são definidas apenas quando o processo que foi seguido para ir do estado A ao estado B é conhecido.

Assim, a variável de processo é a variável que não é definida para estados de um sistema e tem sentido apenas quando se fala no movimento de um estado para outro.

EXEMPLO - calor (Q) e o trabalho (W).

AB

Q1 W1

Q2 W2

Q3 W3

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Definições – Propriedade intensiva x extensiva

Propriedades intensivas: são aquelas que não dependem do tamanho do sistema e podem ser especificadas para qualquer ponto do sistema.

Não são aditivasSeus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.Exemplo: temperatura e pressão.

Propriedades extensivas: são aquelas que não podem ser especificadas para um ponto particular e dependem do tamanho do sistema.Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido.Dependem do tamanho e extensão do sistema.Seus valores podem variar com o tempo.Exemplo: massa, energia, volume.

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Quantidade

Quantidade molar (Xm)- Propriedade extensiva (X) de uma substância dividido pela quantidade de matéria presente (n)

EXEMPLO: volume molar, massa molar

Quantidade parcial molar (Xi)- Propriedade extensiva (X) de um sistema composto, em função da variação da quantidade de uma substância A presente.

EXEMPLO: O volume parcial molar de uma substância A em uma mistura é a variação do volume da mistura provocada pela variação da quantidade do componente A (vA)

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Fase e Substância Pura

FASE

Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física.Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa.

Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor.Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma única fase.

SUBSTÂNCIA PURA

É invariável em composição química e é uniforme.Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.

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Método para resolver um problema

Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são:

1 - Definição do sistema; 2 - Identificação das interações relevantes com a vizinhança.3 - Estabelecer: O que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras; O que é procurado: resumir o que é procurado; 4 - Esquema e dados:Definir o sistema; identificar a fronteira; Anotar dados e informações relevantes; Hipóteses; Análise: feita sobre as equações (conservação da massa, conservação da energia, segunda lei da termodinâmica); Comentários: interpretar.

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UnidadesTabela 1.1. Comparação SI e Sistema Inglês

Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m Massa: 1 lbm = 0,45359237 kg Força : F= ma 1 N = 1 (kg) x 1 (m/s2) 1 lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2) 1 lbf = 4,448215 N

Tabela 1.4. SI Unidades - Prefixos

UnidadesTabela 1.5. Fatores de Conversão entre unidades SI e do Sistema Inglês

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