Termodinâmica Diagramas Propriedades

TERMODINÂMICA II
Aula 2: Tabelas e Diagramas Termodinâmicos
Prof. Ms. Luiz Fernando Ussier
Engenharia Química

TERMODINÂMICA – Diagrama de Fases
Quando esquentamos água na panela, sabemos que começará a ferver a
atingir 100º C, este é um conhecimento comum. Mas existem outras
situações incomuns que precisamos conhecer o comportamento da água,
onde as pressões são diferentes da atmosférica, por exemplo, e as
transformações de fase são diferentes.

Os gráficos conhecidos como diagrama de fases mostram como as
propriedades das substâncias variam ao mudar de fase. Os gráficos
abaixo representam o comportamento de todas as substâncias simples
compressíveis:

TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO:
Este exemplo mostra como pode se obter um Diagrama de Fases, sendo
acompanhado os valores de temperatura e volume específico, conforme
for aquecendo com a pressão mantida constante. Neste exemplo a água
está a 20ºC e sendo aquecida à pressão atmosférica

Depois de um tempo desde o início da transferência de calor, a
temperatura da água líquida atinge 100ºC. Mesmo com uma grande
variação de temperatura, o volume específico quase não cresce e a
pressão é mantida constante pelos pesos.

A partir deste momento, todo o calor adicional é usado pela água para
transformar sua fase líquida em vapor. Chamamos esta condição de
TEMPERATURA DE SATURAÇÃO. Que no caso da água à pressão de 1
atm é de 100ºC.
Portanto, sabendo o valor da pressão do líquido, se determina qual a
temperatura de saturação.

Mas quando conhecemos a temperatura de saturação do líquido,
podemos identificar qual é a PRESSÃO DE SATURAÇÃO.
A pressão de saturação da água à 100ºC vale 101325 Pa (1 atm)
Em outras palavras a PRESSÃO DE SATURAÇÃO é a pressão que faz
mudar de fase;
NOTA:
Temperatura de Saturação = Temperatura de Ebulição
Pressão de Saturação = Pressão de Ebulição

LÍQUIDO COMPRIMIDO e LÍQUIDO SATURADO:
Antes do líquido atingir a Temperatura de Saturação, é chamado de
LÍQUIDO COMPRIMIDO, ou de Líquido Subresfriado.
Assim que o líquido alcança a Temperatura de
Saturação, mas ainda não começou vaporizar, é
chamado de LÍQUIDO SATURADO. Neste estado a
substância possui título igual a zero, porque ainda não
foi produzido vapor.

VAPOR SATURADO:
Se continuar a fornecer calor para a água líquida saturada, esse calor é
totalmente utilizado para mudança de fase. Isso quer dizer que a
temperatura irá permanecer constante, por exemplo 100ºC.

VAPOR SATURADO:
Depois que todo o líquido se tornou vapor (evaporou), teremos apenas
vapor d’água à 100ºC. Esse vapor à temperatura de saturação é chamado
de VAPOR SATURADO. E seu título é igual a um, porque a massa total é
igual a massa de vapor.

VAPOR SUPERAQUECIDO:
O calor necessário para fazer o líquido se converte totalmente em vapor é
chamado de calor latente de vaporização. Após o fim da conversão do
líquido em vapor, o aquecimento passa a gerar um aumento na
temperatura da substância. Quando o vapor está a uma temperatura
maior que a temperatura de saturação, é chamado de VAPOR
SUPERAQUECIDO.

LINHAS DE LÍQUIDO SATURADO E VAPOR SATURADO
Se este processo de aquecimento da água, for repetido para pressões
cada vez maiores, vamos notar que as curvas desses processos têm
formas muito parecidas, porém existem pequenas diferenças.
1 - Quanto maior a pressão, menor a diferença entre os volumes
específicos do líquido saturado e do vapor saturado. Esta permanência
permanece até o momento que o líquidos saturado e o vapor saturado
possuem o mesmo valor de volume específico.

2 - Quanto maior a pressão, maior a temperatura de saturação.
A soma dos pontos que representam líquidos saturados, geram uma linha
de líquido saturado nos gráficos de temperatura versus volume
específico (T-v) e de pressão versus volume específico (P-v).
Analogamente, a soma de pontos que representam vapores saturados,
geram uma linha de vapor saturado nesses mesmos diagramas.

Essas linhas são muito importantes, porque delimitam a região bifásica ou
região de saturação da substância.
Os pontos à esquerda desse território são líquidos comprimidos e os
pontos à direita são vapores superaquecidos.

CURVA DE PRESSÃO DE VAPOR ou LINHA DE VAPORIZAÇÃO
A pressão de saturação e a temperatura de saturação formam um único
ponto no gráfico de pressão versus temperatura (P-T). O conjunto destes
pontos formam a curva de pressão de vapor da substância; também
chamada de linha de vaporização, porque esta linha divide a fase líquida
do vapor.

CURVA DE PRESSÃO DE VAPOR ou LINHA DE VAPORIZAÇÃO
Essa curva é importante, porque mostra que para uma determinada
pressão existe uma única temperatura de saturação. O oposto também é
verdadeiro: para uma determinada temperatura, existe uma única pressão
de saturação. Ou seja, a pressão e a temperatura são dependentes na
região de saturação. Nesse ponto, se variar a pressão a temperatura
também varia.

PONTO CRÍTICO
Ao esquentar água líquida à pressão constante de 20,09 MPa até se
transformar vapor superaquecido, verifica-se que a curva no gráfico T-v
não possui um processo de vaporização à temperatura constante. Tem
apenas um ponto de inflexão chamado de ponto crítico. Antes deste
ponto, existe apenas líquido e depois existe apenas vapor

PONTO CRÍTICO
Chama-se a temperatura, a
pressão e o volume específico
do ponto crítico: temperatura
crítica (Tc), pressão crítica (Pc)
e volume específico crítico
(vc);
Processos de aquecimento
isobáricos à pressões maiores
ou iguais a Pc, nunca terão duas
fases coexistindo, ou seja, ou a
substância é líquido ou é vapor.

Quando uma substância tem temperatura superior a Tc e sua pressão é
igual ou superior a Pc, é uma vapor superaquecido.
Quando sua temperatura é menor que Tc e a sua pressão é igual ou
superior a Pc é um líquido comprimido.

LINHA DE FUSÃO, LINHA DE SUBLIMAÇÃO E PONTO TRIPLO
Existem outras duas mudanças de fase muito importantes que é a fusão e
a sublimação. A fusão é a mudança da fase sólida para líquido; e a
sublimação é a mudança direta da fase sólido para o vapor.
NOTA: assim como construímos a linha de vaporização, marcando as
temperaturas e as pressões de vaporização da substância, podemos criar as
linhas de fusão e de sublimação, marcando suas respectivas temperaturas e
pressões .

EXEMPLO: Imagine o processo isobárico de aquecimento do gelo em
várias pressões e identifica, os os pontos onde o gelo muda de fase:

Pelo Diagrama P-T verifica-se que as três linhas de transformação de
fase encontram-se em um único ponto. Este ponto é chamado de PONTO
TRIPLO, e é o único estado em que o líquido, o vapor e o gelo coexistem
em equilíbrio.
No caso da água, este ponto triplo é atingido quanto a pressão é 611,3
MPa e a temperatura 0,01ºC.

ESTADO TERMODINÂMICO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA SIMPLES
COMPRESSÍVEL
Através do gráfico T-v , que precisamos apenas da pressão e do volume
específico para determinar a temperatura da água. Ou seja, através de
duas propriedades intensivas, achamos o valor de uma outra propriedade.
NOTA: Os valores das
propriedades intensivas estão
conectados entre si por meio de
fórmulas.

ESTADO TERMODINÂMICO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA SIMPLES
COMPRESSÍVEL
O exemplo da água ilustra
o que acontece com todas
as substâncias simples
compressíveis: precisamos
apenas de duas
propriedades intensivas
independentes para
determinar o valor de todas
as outras propriedades e
definir um estado
termodinâmico..

PROPRIEDADES INTENSIVAS INDEPENDENTES
No exemplo da água, não conseguimos
determinar seu volume específico (v)
conhecendo apenas sua Pressão. Não,
porque o espaço ocupado por 1 kg de
água, depende de sua temperatura.
Entretanto, se definirmos os valores de
P e v ao mesmo tempo, conseguimos
determinar o estado de uma substância
simples compressível, pois o restante
das propriedades dependem dessas
variáveis independentes, por meio de
fórmulas:

O caso oposto ocorre entre a
pressão de saturação e a
temperatura de saturação.
Conforme o diagrama T-P para
um valor de pressão de
saturação, existe apenas um
valor de temperatura de
saturação. Por este motivo,
estas propriedades são
denominadas como
dependentes, e portanto não
são suficientes para
determinação do estado da
substância

TERMODINÂMICA – Tabelas de Propriedades
Como já foi explicado anteriormente, com apenas duas
propriedades intensivas independentes, conseguimos
encontrar os valores de todas as outras propriedades
intensivas e assim determinar o estado do sistema.
Isso é feito através do uso das Tabelas de Propriedades.
• Cada substância tem seu conjunto de Tabelas
• Existe uma Tabela para cada região em que a
substância se encontra;

TABELA DE LÍQUIDO SATURADO: A tabela abaixo, apresenta os valores das
propriedades da água líquida comprimida. Mostra diversos valores de pressão
para uma mesma temperatura, porque na região subresfriada, a temperatura e
a pressão são propriedades independentes. Além disso, para uma determinada
pressão e temperatura, existe apenas um volume específico (v), pois só existe
uma fase (líquido). Como exemplo: determinar o valor do volume específico
para a água a 60ºC e pressão 5 MPa:

TABELA DE PROPRIEDADES PARA VAPOR SATURADO:
Nesta região. T e P permanecem independentes entre si e como só existe uma
fase de vapor nessas condições, para cada par de valor de T e P, existe
apenas um valor de volume específico (v). Por exemplo, qual o valor de v para
uma temperatura de 275ºC e pressão de 5 MPa.

TABELA DE PROPRIEDADES PARA REGIÃO DE SATURAÇÃO:
A Tabela abaixo apresenta valores de propriedades da água, quando está na
região de vaporização. É diferente das outras tabelas, porque para um valor de
temperatura, existe apenas um valor de pressão. Essas duas variáveis são
dependentes nessa região. Outra diferença é a existência de dois volumes
específicos vliq e vvap para uma única pressão P.

EXEMPLO: Qual o valor do volume específico da mistura vapor e líquido a
200ºC e Título igual a 70%, sabendo que a fórmula do volume específico médio
(v) para misturas bifásicas entre líquido e Vapor é dada por:

EXEMPLO:

As tabelas de propriedades termodinâmicas estão divididas em três categorias
de tabelas: uma que relaciona as propriedades do líquido comprimido (ou
líquido subresfriado), outra que relaciona as propriedades de saturação (líquido
saturado e vapor saturado) e as tabelas de vapor superaquecido.
Em todas elas as propriedades estão tabeladas em função da temperatura ou
pressão, ou em função de ambas, como pode ser visto nas tabelas a seguir.
Para a região liquido+vapor (vapor úmido), conhecido o título, x, as
propriedades devem ser determinadas através das seguintes equações:

Tabelas de
Propriedades

TERMODINÂMICA – Diagramas de propriedades
Dado o efeito de visualização, é aconselhável, na análise dos problemas
termodinâmicos, representar esquematicamente os processos em um diagrama,
pois a solução torna-se clara.
Assim, o completo domínio destes diagramas é essencial para o estudo dos
processos térmicos.

TERMODINÂMICA – Diagramas de propriedades
EXEMPLO: Para o estudo de sistemas de refrigeração é mais conveniente
apresentar as propriedades em diagramas que tenham como ordenada a pressão
absoluta e como Abcissa a entalpia específica, ou seja, o diagrama p-h.

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