Curva de Vapor de uma substancia pura, Resumos de Física

Baixe Curva de Vapor de uma substancia pura e outras Resumos em PDF para Física, somente na Docsity! T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Prof. Nelson Luiz Reyes Marques Termodinâmica Transição de Fase de uma Substância Pura T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Termodinâmicas das Substâncias Puras ➢ Fase: é uma região homogênea que possui as mesmas propriedades físicas em todos os seus pontos e que é separada de outras regiões do sistema por meio de um fronteira. ➢ Os sistemas termodinâmicos podem abranger uma substância pura ou mais de uma substância pura. ➢ As misturas são sistemas que contêm mais de uma substância pura. Podem envolver podem envolver diversas fases. ➢ As soluções são sistemas multicomponentes que em geral envolvem apenas uma fase. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Termodinâmicas das Substâncias Puras Exemplo 2: Considere agora um recipiente contendo gelo e água em equilíbrio termodinâmico. 𝐶 = 1 → 𝑠ó 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑢𝑚𝑎 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 á𝑔𝑢𝑎 . F= 2 → 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑑𝑢𝑎𝑠 𝑓𝑎𝑠𝑒𝑠, 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑎. 𝑽 = 𝑪 − 𝑭 + 𝟐 𝑽 = 𝟏 − 𝟐 + 𝟐 → 𝑽 = 𝟏 Significa que precisamos de uma variável intensiva, ou a pressão ou a temperatura, para especificar corretamente o equilíbrio desse sistema. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Termodinâmicas das Substâncias Puras ➢ Como veremos em seguida, usando a curva de equilíbrio entre a fase sólida e a fase líquida da água, basta especificar uma variável intensiva (por exemplo, temperatura) para se obter o valor da outra varável intensiva (nesse exemplo, a pressão). ➢ No equilíbrio termodinâmico entre duas fases de uma mesma substância pura, para cada pressão só existe uma única temperatura de equilíbrio entre as fases consideradas. ➢ Quando você diz que a temperatura de ebulição da água é igual a 100°C, você sabe que isso só ocorre se a pressão doi igual a 1 atm. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Equilíbrio de fase de uma Substância Pura ➢ Transição de fase: é o processo no qual ocorre uma transformação reversível de uma fase de certa substância para outra fase da mesma substância. ➢ O potencial termodinâmico (Potencial de Gibbs) é a função adequada para estuar o equilíbrio termodinâmico no qual P e T permanecem constantes durante a transição. ➢ Considerando a relação entre o potencial de Gibbs e a Entalpia: 𝑑𝐺 = −𝑆𝑑𝑇 + 𝑉𝑑𝑝 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Equilíbrio de fase de uma Substância Pura ➢ Quando a fase de vapor está presente (vaporização e sublimação) a equação de Clapeyron pode ser integrada de maneira aproximada. Admitimos 1 mol de um gás ideal: 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇, 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑛 = 1 → ∆𝑉 = 𝑉 = 𝑅𝑇 𝑝 𝑆 = 𝑄 𝑇 → 𝑆 = 𝐿 𝑇 , 𝐿 é 𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖çã𝑜) 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = ∆𝑆 ∆𝑉 → 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = 𝐿 𝑇 𝑅𝑇 𝑝 → 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = 𝐿𝑝 𝑅𝑇2 B é a constante de integraçãoln 𝑝 = 𝐵 − 𝐿 𝑅𝑇 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Curvas e equilíbrio Curvas e equilíbrio entre fases de uma substância pura no plano PT T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Curvas e equilíbrio Mostra como a pressão de vapor do líquido varia com a temperatura Mostra como a pressão de vapor na sublimação com a temperatura Descreve o comportamento de fusão – condição em que pressão de vapor=pressão externa Ponto Crítico Condição em que as três fases coexistem em equilíbrio T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Ponto crítico de algumas substâncias Temperatura (oC) Pressão (Mpa) Volume (m3/kg) Água 374,14 22,09 0,003155 Dióxido de carbono 31,05 7,39 0,002143 Oxigênio -118,35 5,08 0,002438 Hidrogênio -239,85 1,30 0,032192 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Ponto triplo de algumas substâncias Temperatura (oC) Pressão (kPa) Água 0,01 0,6113 Dióxido de carbono -56,4 520,8 Oxigênio -219 0,15 Hidrogênio -259 7,194 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 3 A entropia de um líquido na temperatura de ebulição é 21cal/Kmol. (a) Represente a equação de Clausius-Clapeyron. (b) Qual é a relação entre ൗ∆𝑝 𝑝 𝑒 Τ∆𝑇 𝑇 nas vizinhanças dessa temperatura de ebulição? ∆𝑆 = 𝐿𝑉 𝑇 Solução: ∆𝑉 ≅ 𝑉𝑉 → 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑜 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = ∆𝑆 ∆𝑉 → 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = 𝐿𝑉 𝑇 𝑅𝑇 𝑝 → 𝑑𝑝 𝑑𝑇 = 𝐿𝑉 ∙ 𝑝 𝑅 ∙ 𝑇2 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 → 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑛 = 1 𝑚𝑜𝑙 → ∆𝑉 = 𝑅𝑇 𝑝 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Observação A entropia de vaporização de muitos líquidos, na temperatura normal de ebulição, é aproximadamente igual a 21 Τ𝑐𝑎𝑙 𝐾∙𝑚𝑜𝑙 . Essa regularidade é conhecida como regra de Trouton. Contudo, líquidos com agrupamento polares (álcoois, ácidos carboxílicos) ou com ligação de hidrogênio (água) não seguem a regra de Trouton. Chama-se líquido normal aquele que segue a regra de Trouton. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 4 A temperatura normal de ebulição do benzeno é aproximadamente igual a 80°C. Estime a pressão de vapor do benzeno para 50°C. ln 𝑝 = 10,5 1 − 𝑇𝑒𝑏 𝑇 → ln𝑝 = 10,5 1 − 353 𝐾 323 𝐾 = −0,975 ln 𝑝 = −0,975 → 𝑝 = 0,377 𝑃𝑎 = 286,6 𝑎𝑡𝑚 T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 5 A figura representa o diagrama de fase de uma substância simples. a)Se a substância simples for expandida isotermicamente a partir do estado B, qual a mudança de fase que ela sofre? b) Qual a mudança de fase que ocorre na transição de A para o estado B? T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 8 A água aumenta seu volume quando é solidificada a partir do estado líquido. O CO2 diminui seu volume quando é solidificado a partir do estado líquido. Podemos dizer sobre os pontos de fusão dessas substâncias que: a) os pontos de fusão de ambas aumentam com o aumento de pressão. b) o ponto de fusão da água aumenta enquanto o do CO2 diminui com o aumento da pressão. c) o ponto de fusão da água diminui enquanto o do CO2 aumenta com o aumento da pressão d) os pontos de fusão de ambas permanecem constantes com a pressão. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 9 Considerando as proposições relativas à fusão, diga se são verdadeiras ou falsas e justifique. I. A temperatura em que se dá a fusão depende exclusivamente da natureza da substância e da pressão. II. Enquanto se processa a fusão, a temperatura do sistema se mantém constante, quaisquer que sejam as demais condições. III. Para a maioria das substâncias, a fusão se dá com aumento de volume. T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 10 Dentro de um bujão de gás de cozinha, o que existe realmente é: a) gás b) liquido na presença do seu gás c) vapor d) liquido na presença de seu vapor e) liquido T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 13 A principal função dos aparelhos de ar refrigerado é diminuir a umidade do ar no ambiente (você já reparou como pinga água desses aparelhos, pelo lado de fora do local que eles refrigeram?). Isso faz com que, quase sempre, a diferença de temperatura entre duas salas, uma refrigerada e outra não, seja bem menor do que aquela que nosso corpo parece sugerir. Você pode explicar? T E R M O D IN Â M IC A – P A R T E 3 Exemplo 14 Quando se patina no gelo, desliza-se facilmente sobre a pista. Isso acontece porque o gelo, imediatamente abaixo da lâmina dos patins, se funde, mesmo estando abaixo de 0ºC.