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Slides de Pressão de Vapor Energia potencial se transforma em energia cinética O objeto acelera Novamente, a perda de energia potencial acelera o deslizamento do objeto Desce Objeto acelera Energia química (no carvão) Energia interna (água → vapor) Força (expansão do vapor) → trabalho Energia cinética osu Trabalho adicionado ao objeto O peso sobe Este peso desce e perde energia, chamada de energia potencial Cilindro e pistão Peso O gás aquecido expande e empurra o peso para cima Adição de calor ΔT > 0 ⇒ ΔU > 0 .˙. a Energia interna aumenta ΔT < 0 ⇒ ΔU < 0 .˙. a Energia interna diminui ΔT = 0 ⇒ ΔU = 0 .˙. a Energia interna não varia Cilindro e pistão Peso O gás aquecido expande e empurra o peso para cima Adição de calor Acrescentar calor Agitar mais vigorosamente e remover o excesso de energia com água de resfriamento Fria Morna Agitar vigorosamente equivale a adicionar trabalho mecânico Conceitos: ESTADO, EQUILÍBRIO e FASE EQUILÍBRIO: se refere a um estado em que não existe tendência alguma de uma mudança espontânea. 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” A qualquer temperatura e pressão, um composto puro pode existir como gás, líquido ou sólido. Em certos valores específicos de Temperatura e Pressão, como uma mistura de fases Quais características moleculares são típicas de cada fase? - Distância intermolecular - Velocidade molecular média https://cienciaemacao.com.br/o-que-e-uma-mudanca-de-estado-fisico-e- como-ela-ocorre/ Mudanças de fase: https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/diagrama-mudanca-estado-fisico.htm Qual o comportamento da temperatura ao longo do tempo? Água a 1 atm Líquido subresfriado T < Tvap Líquido saturado T = Tvap Líquido saturado T = Tvap Vapor saturado T = Tvap Vapor saturado T > Tvap Vapor superaquecido T T T T Analisando somente a vaporização/condensação: Conceito de SATURAÇÃO Temp. de saturação : temperatura na qual a vaporização ocorre a uma determinada pressão. Equações de Estado - Lei dos gases ideais Os gases reais se comportam como gás ideal a baixas pressões e altas temperaturas. Quando a distância média entre as moléculas de uma substância é grande o bastante para ignorar os efeitos das forças intermoleculares e o volume das moléculas temos um gás ideal. 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 p = pressão absoluta do gás V = volume total ocupado pelo gás n = número de mols do gás R = constante dos gases ideais nas unidades apropriadas T = temperatura absoluta do gás 𝑝 ෠𝑉 = 𝑅𝑇 Ou ෠𝑉 é 𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 Lei dos gases ideais Constante universal dos gases R_u = 8.31434 kJ/kmol-K = 8.31434 kPa-m³/kmol-K = 0.0831434 bar-m³/kmol-K = 82.05 L-atm/kmol-K = 1.9858 Btu/lbmol-R = 1545.35 ft-lbf/lbmol-R = 10.73 psia-ft³/lbmol-R A Lei dos gases ideais é uma EQUAÇÃO DE ESTADO que permite que determinar uma terceira propriedade do um sistema através de duas outras conhecidas. O comportamento T x P das substâncias também podem ser determinados através de DIAGRAMAS DE FASES. Diagrama P-T Isocóricas V = cte 𝒑𝒇 = 𝒑𝒊 𝑻𝒇 𝑻𝒊 Diagrama V-T Isobáricas P = cte 𝑽𝒇 = 𝑽𝒊 𝑻𝒇 𝑻𝒊 Diagrama P-V Isotermas T = cte 𝒑𝒇 = 𝒑𝒊 𝑽𝒊 𝑽𝒇 Curva ELV (vaporização) Curva ESL (fusão) Diagrama P-T OU Diagrama de fases O ponto triplo identifica um estado no qual as três fases - sólida, líquida e vapor - podem estar presentes em equilíbrio. O ponto triplo para a água é de 0,01 °C. Curva ESV (sublimação) TC PC PC = pressão crítica TC = temperatura crítica O estado crítico para a transição gás-líquido é o conjunto de condições físicas em que a densidade e outras propriedades do líquido e do vapor se tornam idênticas. Diagrama de fases da água pura Linha AA’ → processo de pressão constante conduzido a baixa temperatura, onde o gelo sublima na fase de vapor. Não há fase líquida neste caso. Linha BB’ → processo de aquecimento à pressão atmosférica ou acima dela, onde inicialmente o gelo sólido se funde no estado líquido, seguido pela vaporização da água a uma temperatura mais alta. TABLE 3–3 Triple-point temperatures and pressures of various substances Substance Formula T_tp, K P_tp, kPa Acetylene C_2H_2 192.4 120 Ammonia NH_3 195.49 6.076 Argon A 83.81 68.9 Carbon (graphite) C 3900 10,100 Carbon dioxide CO_2 216.55 517 Carbon monoxide CO 68.10 15.37 Deuterium D_2 18.73 17.1 Ethane C_2H_6 89.89 8 x 10^–4 Ethylene C_2H_4 104.0 0.12 Helium 4 (λ point) He 2.19 5.1 Hydrogen H_2 13.84 7.04 Hydrogen chloride HCl 158.96 13.9 Mercury Hg 234.32 1.65 x 10^–7 Methane CH_4 90.68 11.7 Neon Ne 24.57 43.2 Nitric oxide NO 109.50 21.92 Nitrogen N_2 63.18 12.6 Nitrous oxide N_2O 182.34 87.85 Oxygen O_2 54.36 0.152 Palladium Pd 1825 3.5 x 10^–3 Platinum Pt 2045 2.0 x 10^–4 Sulfur dioxide SO_2 197.69 1.67 Titanium Ti 1941 5.3 x 10^–3 Uranium hexafluoride UF_6 337.1 151.7 Water H_2O 273.16 0.61 Xenon Xe 161.3 81.5 Zinc Zn 692.65 0.065 Source: Data from National Bureau of Standards (U.S.) Circ., 500 (1952). Utilização da água na T supercrítica: descafeinação do café; eliminação de colesterol de gema de ovo com CO2; produção de extrato de baunilha e a destruição de compostos orgânicos indesejáveis. Diagramas PV REGIÃO DE LÍQUIDO COMPRIMIDO REGIÃO DE VAPOR SUPERAQUECIDO REGIÃO DE LÍQUIDO-VAPOR SATURADOS Linha de líquido Linha de vapor Ponto crítico Linha de saturado T_2 = const. > T_1 T_1 = const. V (Volume específico) Adaptado de www.mhhe.com/smiththermo Isotermas são importantes!!!! Diagrama PV (CO2) Pressure (MPa) 10 P = Pc Tc = 304.1282 K PC Critical Point T = 310 K T = 320 K v = vc 10 LIQUID Liquid + Gas GAS 5 T = 290 K T = 300 K Specific Volume (m3/kg) 0.001 0.01 Diagrama T-V 40 MPa Temperatura P M N <- 22,06 MPa A Ponto critico 10 MPa E 1 MPa F B 0,1 MPa Linha de líquido saturado Linha de vapor saturado H O C L G V (Volume específico) T-v diagram for water Transcritical Region 22MPa Critical Point 600 500 400 Temperature (deg C) 300 Compressed Liquid Region 200 Saturated Liquid Line 100 0 Isóbaras são importantes!!!! Specific Volume (m3/kg) Saturated Vapor Line 0.001 0.01 10MPa Superheat Region Quality Region 1MPa 100kPa plot by ivan 0.1 1 10 Misturas de Gases Ideais e Pressão Parcial Considere uma mistura de 2 gases ideais: T n1 P n2 V n = n1 + n2 Poderíamos usar a Lei do Gás Ideal para essa mistura, considerando P como a pressão total da mistura, V como o volume ocupado pela mistura e n como o número total de mols de todos os componentes da mistura e T como a temperatura da mistura... Ou então... utilizar o conceito de Pressão Parcial . Pressão Parcial Pressão parcial (pi): para um gás i, pi é a pressão que seria exercida por este gás i se estivesse ocupando sozinho o mesmo volume V ocupado pela mistura, na mesma temperatura T da mistura. Dividindo uma pela outra: 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 Para a mistura: Para cada componente i: 𝑝𝑖𝑉 = 𝑛𝑖𝑅𝑇 𝑝1𝑉 = 𝑛1𝑅𝑇 𝑝2𝑉 = 𝑛2𝑅𝑇 𝑝𝑖𝑉 𝑃𝑉 = 𝑛𝑖𝑅𝑇 𝑛𝑅𝑇 𝑝𝑖 𝑃 = 𝑛𝑖 𝑛 = 𝑦𝑖 𝑝1 𝑃 = 𝑛1 𝑛 = 𝑦1 𝑝2 𝑃 = 𝑛2 𝑛 = 𝑦2 Sabendo que: 𝑦1 + 𝑦2 = 1 Então: 𝑝1 𝑃 + 𝑝2 𝑃 = 1 Logo: 𝑃 = 𝑝1 + 𝑝2 = ෍ 𝑝1 Lei de Dalton Relações para gases reais: substâncias puras Altas temperaturas e baixas pressões → pode-se utilizar a lei do gás ideal. Baixas temperaturas e pressões moderadas e altas → os valores estimados para as propriedades dos gases, obtidos pela lei do gás ideal, apresentam desvio considerável dos dados experimentais, devido às forças atrativas e repulsivas entre as moléculas. A obtenção de propriedades dos GASES REAIS é possível: Experimentalmente → dados podem ser posteriormente tabelados Ou por três outros métodos: ✓ Cartas de compressibilidade ✓ Propriedades críticas e parâmetros reduzidos ✓ Equações de estado TERMODINÂMICA! Diagrama de fases de um gás real https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/gasreal.html As isotermas de um gás real têm uma forma mais complexa do que as isotermas de um gás ideal (hipérboles), pois devem levar em conta as mudanças de fase que ele pode sofrer. Diagrama de fases de um gás real https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/gasreal.html Curva C: isoterma crítica (T crítica). Separa dois comportamentos: a substância está no estado gasoso se T>Tcrítica Se T<Tcrítica a substância pode estar no estado sólido, líquido ou vapor Pontos A e B: estados de vapor saturado e líquido saturado, respectivamente. Ambos estão em uma curva (linha pontilhada) chamada de curva de saturação. Abaixo dele, todos os estados são uma mistura de líquido e vapor. Região abaixo da curva de saturação é uma linha horizontal → quando a mudança de fase líquido-vapor ocorre a pressão constante, também ocorre a temperatura constante. Como se pode representar as fases das substâncias puras? OPÇÃO 2: TABELAS Lembrando: TIPOS DE SISTEMAS Fluxo energético Fluxo mássico Fluxo energético Fluxo mássico Fluxo energético Fluxo mássico Analisando a questão ENERGIA em um sistema qualquer.... Como podemos alterá-la? O que se pode falar sobre a ENERGIA em um sistema? Trabalho Calor Calor e trabalho são FLUXOS DE ENERGIA!!! A energia pode ser transferida de ou para uma massa: - por transferência de calor Q → força motriz é a diferença de T - e trabalho W → quando não for calor Mas um sistema também CONTÉM diferentes formas de energia: ZEA0466 - Termodinâmica Energia interna i) Energia sensível ou calor sensível (associada à energia cinética): o grau de agitação das moléculas está relacionado ao aumento/diminuição da temperatura. ii) Energia latente ou calor latente (associada às ligações intermoleculares): envolve mudança de fase, pois as ligações intermoleculares podem ser rompidas, o que mudará a fase do sistema. Ex.: líquido passando para gás. iii) Energia química: envolve a ligações interatômicas vi) Energia nuclear: envolve a ligações dentro do núcleo de um átomo Pode ser entendida como a soma das energias cinética e potencial das moléculas. Tabela B.1 — Propriedades termodinâmicas da água Tabela B.1.1 Água saturada: tabela em função da temperatura Temp. °C, Pressão kPa, Volume específico (m³/kg), Energia interna (kJ/kg), Entalpia (kJ/kg), Entropia (kJ/kg K), Líquido sat., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat. T, P, v₁, vᵥ, u₁, uᵥ, uᵥ, h₁, hᵥ, hᵥ, s₁, sᵥ, sᵥ 0,01, 0,6113, 0,001000, 206,132, 0,00, 2375,33, 2375,33, 0,00, 2501,30, 2501,30, 0,0000, 9,1562, 9,1562 5, 0,8721, 0,001000, 147,118, 20,99, 2361,27, 2382,24, 20,89, 2489,57, 2510,54, 0,0761, 8,9496, 9,0257 10, 1,2276, 0,001000, 106,377, 41,99, 2347,16, 2389,15, 41,99, 2477,75, 2519,74, 0,1510, 8,7498, 8,9007 15, 1,7050, 0,001001, 77,925, 62,98, 2333,06, 2396,04, 62,98, 2465,93, 2528,91, 0,2245, 8,5569, 8,7813 20, 2,339, 0,001002, 57,7897, 83,94, 2318,98, 2402,91, 83,94, 2454,12, 2538,06, 0,2966, 8,3706, 8,6671 25, 3,169, 0,001003, 43,3593, 104,86, 2304,90, 2409,76, 104,87, 2442,30, 2547,17, 0,3673, 8,1905, 8,5579 30, 4,246, 0,001004, 32,8922, 125,77, 2290,81, 2416,58, 125,77, 2430,48, 2556,25, 0,4369, 8,0164, 8,4533 35, 5,628, 0,001006, 25,2158, 146,65, 2276,71, 2423,36, 146,66, 2418,62, 2565,28, 0,5052, 7,8478, 8,3530 40, 7,384, 0,001008, 19,5229, 167,53, 2262,57, 2430,11, 167,54, 2406,72, 2574,26, 0,5724, 7,6845, 8,2569 45, 9,593, 0,001010, 15,2581, 188,41, 2248,40, 2436,81, 188,42, 2394,77, 2583,19, 0,6386, 7,5261, 8,1647 50, 12,350, 0,001012, 12,0318, 209,30, 2234,17, 2443,47, 209,31, 2382,75, 2592,06, 0,7037, 7,3725, 8,0762 55, 15,758, 0,001015, 9,5683, 230,19, 2219.98, 2449,88, 230,21, 2370,86, 2600,86, 0,7679, 7,2234, 7,9912 60, 19,941, 0,001017, 7,6671, 251,09, 2205,54, 2456,63, 251,11, 2358,48, 2609,59, 0,8311, 7,0784, 7,9095 65, 25,03, 0,001020, 6,19656, 272,00, 2191,12, 2463,12, 272,03, 2346,21, 2618,24, 0,8934, 6,9375, 7,8309 ZEA0466 - Termodinâmica ENTALPIA ▪ É a propriedade da matéria expressa como a soma da energia interna e o produto da pressão e do volume: Em que: H é a entalpia (kJ), Ei é a energia interna (kJ), P é a pressão (kPa) é o volume (m3) O valor de entalpia é sempre dado em relação a um estado de referência no qual o valor da entalpia é selecionado arbitrariamente, geralmente zero por conveniência. As tabelas de vapor fornecem a entalpia do vapor, assumindo que a 0°C a entalpia do líquido saturado (ou seja, água) é zero. Tabela B.1.2 Água saturada: tabela em função da pressão Pressão kPa, Temp. °C, Volume específico (m³/kg), Energia interna (kJ/kg), Entalpia (kJ/kg), Entropia (kJ/kg K), Líquido sat., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat., Líquido sat., Evap., Vapor sat. P, T, v₁, vᵥ, u₁, uᵥ, uᵥ, h₁, hᵥ, hᵥ, s₁, sᵥ, sᵥ 0,6113, 0,01, 0,001000, 206,132, 0,00, 2375,3, 2375,3, 0,00, 2501,30, 2501,30, 0,0000, 9,1562, 9,1562 1, 6,98, 0,001000, 129,0802, 29,29, 2355,69, 2384,98, 29,29, 2484,89, 2514,18, 0,1059, 8,8697, 8,9756 1,5, 13,03, 0,001001, 87,98013, 54,70, 2338,63, 2393,32, 54,70, 2470,59, 2525,30, 0,1956, 8,6322, 8,8278 2, 17,50, 0,001001, 67,0385, 73,47, 2326,02, 2399,49, 73,47, 2460,02, 2533,49, 0,2607, 8,4629, 8,7236 2,5, 21,08, 0,001002, 54,25385, 88,47, 2315,94, 2404,40, 88,47, 2451,56, 2540,03, 0,3120, 8,3311, 8,6431 3, 24,08, 0,001002, 45,66502, 101,03, 2307,48, 2408,51, 101,03, 2444,47, 2545,50, 0,3545, 8,2231, 8,5775 4, 28,96, 0,001004, 34,80015, 121,44, 2293,73, 2415,17, 121,44, 2432,93, 2554,37, 0,4226, 8,0520, 8,4746 5, 32,88, 0,001005, 28,19251, 139,79, 2282,70, 2422,49, 139,79, 2423,66, 2561,45, 0,4763, 7,9187, 8,3950 7,5, 40,29, 0,001008, 19,23775, 168,76, 2261,74, 2430,50, 168,77, 2406,02, 2574,79, 0,5763, 7,6751, 8,2514 10, 45,81, 0,001010, 14,67355, 191,89, 2246,10, 2437,99, 191,88, 2392,82, 2584,63, 0,6492, 7,5010, 8,1501 15, 53,97, 0,001014, 10,02218, 225,91, 2222,83, 2448,73, 225,91, 2373,14, 2599,06, 0,7548, 7,2536, 8,0084 20, 60,06, 0,001017, 7,64937, 251,35, 2205,36, 2456,71, 251,38, 2358,33, 2609,70, 0,8319, 7,0766, 7,9085 25, 64,97, 0,001020, 6,20424, 277,88, 2191,21, 2469,09, 277,88, 2346,29, 2618,18, 0,8903, 6,9387, 7,8313 30, 69,10, 0,001022, 5,22918, 289,18, 2179,22, 2468,40, 289,22, 2336,07, 2625,24, 0,9439, 6,8427, 7,7666 40, 75,87, 0,001026, 3,99345, 317,51, 2159,49, 2477,00, 317,46, 2319,19, 2636,74, 1,0258, 6,6441, 7,6700 50, 81,33, 0,001030, 3,24034, 340,47, 2143,43, 2483,91, 340,50, 2305,40, 2645,87, 1,0910, 6,5029, 7,5939 75, 91,77, 0,001037, 2,21171, 394,89, 2112,39, 2507,28, 394,86, 2278,59, 2662,96, 1,2129, 6,2434, 7,4563 Tabela B.1.3 Vapor d'água superaquecido T, v (m³/kg), u (kJ/kg), h (kJ/kg), s (kJ/kg K), v (m³/kg), u (kJ/kg), h (kJ/kg), s (kJ/kg K), v (m³/kg), u (kJ/kg), h (kJ/kg), s (kJ/kg K) P = 10 kPa (45,81), P = 50 kPa (81,33), P = 100 kPa (99,62) Sat., 14,67355, 2437,89, 2584,63, 8,1501, 3,24034, 2483,85, 2645,87, 7,5939, 1,69400, 2506,06, 2675,46, 7,3593 50, 14,86920, 2443,87, 2592,56, 8,1749, -, -, -, -, -, -, -, - 100, 17,19561, 2515,50, 2687,46, 8,4479, 3,41833, 2511,61, 2682,52, 7,6947, -, -, -, - 150, 19,51251, 2587,86, 2782,99, 8,6881, 3,38937, 2558,61, 2778,00, 7,9400, 1,93636, 2582,75, 2776,38, 7,6133 200, 21,85207, 2661,27, 2879,52, 8,9037, 4,35595, 2659,86, 2877,64, 8,1579, 2,17226, 2658,05, 2875,27, 7,8342 250, 24,13559, 2735,95, 2977,31, 9,1002, 4,82045, 2734,97, 2975,99, 8,3555, 2,40604, 2733,73, 2974,33, 8,0332 300, 26,44508, 2812,06, 3076,51, 9,2812, 5,28391, 2811,33, 3075,52, 8,5372, 2,63876, 2810,41, 3074,28, 8,2157 400, 31,06252, 2968,89, 3279,51, 9,6076, 6,20299, 2968,43, 3278,89, 8,8641, 3,10263, 2967,85, 3278,11, 8,5434 500, 35,67986, 3132,26, 3489,05, 9,8977, 7,13364, 3131,94, 3488,62, 9,1545, 3,56547, 3131,54, 3488,09, 8,8341 600, 40,29488, 3302,45, 3705,40, 10,1608, 8,05748, 3302,21, 3705,10, 9,4177, 4,02781, 3301,94, 3704,72, 9,0975 700, 44,91052, 3479,63, 3928,73, 10,4028, 8,98104, 3479,45, 3928,51, 9,6599, 4,48986, 3479,24, 3928,23, 9,3398 800, 49,52599, 3663,84, 4159,10, 10,6281, 9,90444, 3663,70, 4158,92, 9,8852, 4,95174, 3663,53, 4158,71, 9,5662 900, 54,14137, 3855,03, 4396,44, 10,8395, 10,82773, 3854,91, 4396,30, 10,0967, 5,41353, 3854,77, 4396,12, 9,7767 1000, 58,75669, 4053,01, 4640,58, 11,0392, 11,75097, 4052,91, 4640,46, 10,2964, 5,87526, 4052,81, 4640,31, 9,9764 1100, 63,37198, 4257,47, 4891,19, 11,2287, 12,67418, 4257,39, 4891,05, 10,4858, 6,33696, 4257,32, 4890,95, 10,1658 1200, 67,98724, 4467,91, 5147,78, 11,4090, 13,59737, 4467,83, 5147,69, 10,6662, 6,79863, 4467,78, 5147,60, 10,3462 1300, 72,60250, 4663,68, 5409,70, 11,5810, 14,52054, 4663,63, 5409,61, 10,8382, 7,26030, 4663,60, 5409,54, 10,5182 Tabela B.1.4 Água líquida comprimida T °C v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) P = 500 kPa (151,86) P = 2000 kPa (212,42) P = 5000 kPa (263,99) Sat, 0,001093 639,66 640,21 1,8606 0,001177 906,42 908,77 2,4473 0,001286 1147,78 1154,21 2,9201 0 - - - - - - - - 0,000998 0,03 5,02 0,0001 0,01 0,000999 0,01 0,51 0,0000 0,000999 0,03 2,03 0,0001 - - - - 20 0,001002 83,91 84,41 0,2965 0,001001 83,82 85,82 0,2962 0,001000 83,64 88,64 0,2955 40 0,001008 167,47 167,98 0,5722 0,001007 167,29 169,30 0,5716 0,001006 166,93 171,95 0,5705 60 0,001017 251,00 251,50 0,8308 0,001016 250,72 252,77 0,8300 0,001015 250,21 255,28 0,8284 80 0,001029 334,73 335,24 1,0749 0,001028 334,48 336,44 1,0739 0,001027 333,69 338,83 1,0719 100 0,001043 418,80 419,32 1,3065 0,001043 418,36 420,45 1,3053 0,001041 417,50 422,71 1,3030 120 0,001060 503,37 503,90 1,5273 0,001059 503,28 504,96 1,5259 0,001058 501,79 507,07 1,5232 140 0,001080 588,66 589,20 1,7389 0,001079 588,02 590,18 1,7373 0,001077 586,74 592,13 1,7342 160 - - - - 0,001101 674,14 676,34 1,9410 0,001099 672,61 678,10 1,9374 180 - - - - - - - - 0,001127 759,62 765,24 2,1341 200 - - - - - - - - 0,001156 848,08 853,85 2,3254 220 - - - - - - - - 0,001187 938,43 944,36 2,5128 240 - - - - - - - - 0,001226 1031,34 1037,47 2,6978 260 - - - - - - - - 0,001275 1127,92 1134,30 2,8829