Aula03_p1de3_Termo_2012_mar25

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UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Campus Foz do Iguaçu / Centro de Ciências Exatas
Engenharia Mecânica
TERMODINÂMICA
 Aula 03a – Propriedades das Substâncias Puras
Parte I / III
Prof. Dr Eduardo César Dechechi
dechechi@gmail.com 
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Objetivos:
Apresentar o conceito de Substância Pura;
Discutir a física dos processos de mudança de fase;
Ilustrar os diagramas de propriedades P-v, T-v e P-T e as superfícies P-v-T das substâncias puras;
Demonstrar os procedimentos para a determinação das propriedades termodinâmicas de substâncias puras a partir de tabelas de propriedades;
Descrever a substância hipotética “gás- ideal” e a equação de estado do gás ideal;
Aplicar a equação de estado do gás ideal para resolver problemas típicos;
Introduzir o fator de compressibilidade, que leva em conta o desvio entre os comportamentos dos gases ideais e o do gás ideal;
Apresentar algumas das equações de estado mais conhecidas.
Aula 03 – Propriedades das Substâncias Puras
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3. Propriedades das Substâncias Puras
3.1 Substância Pura
3.2 Fases de uma Substância Pura
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de
			Mudança de Fase
		3.5 Tabelas de Propriedades
		3.6 Equação de Estado do Gás Ideal
O Vapor d’Água é um Gás Ideal?
		3.7 Fator de Compressibilidade
		3.8 Outras Equações de Estado
Equação de Estado de van der Walls
Equação de Estado de Beattie-Bridgman
Equação de Estado de Benedict-Webb-Rubin
Equação de Estado do Virial
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3. Propriedades das Substâncias Puras
3.1 Substância Pura
3.2 Fases de uma Substância Pura
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
Líquido Comprimido e Líquido Saturado
Vapor Saturado e Vapor Superaquecido
Temperatura de Saturação e Pressão de Saturação
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de
Mudança de Fase
O Diagrama T-v; 	O Diagrama p-v; O Diagrama p-T; Superfície p-v-T
		3.5 Tabelas de Propriedades
Entalpia; Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Mistura de Líquido e Vapor Saturado; Vapor Superaquecido
Líquido Comprimido
		3.6 Equação de Estado do Gás Ideal
O Vapor d’Água é um Gás Ideal?
		3.7 Fator de Compressibilidade
		3.8 Outras Equações de Estado
Equação de Estado de van der Walls; de Beattie-Bridgman
Equação de Estado de Benedict-Webb-Rubin; Equação de Estado do Virial
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3.1 Substância Pura
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Termodinâmica – 2012
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Uma substância que possui a mesma composição química em toda a sua extensão. 
(Por exemplo, a água, o nitrogênio, o hélio e o dióxido de carbono.)
Uma combinação de diversos elementos ou compostos químicos também se qualifica como substância pura, desde que a mistura seja homogênea. 
(Por exemplo, o ar.)
3.1 Substância Pura
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Uma mistura de duas ou mais fases de um substância pura
ainda é uma substância, desde que a composição química
de todas as fases seja igual.
3.1 Substância Pura
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3.2 Fases de uma Substância Pura
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Embora existam três fases principais:
sólida, líquida e gasosa
Uma substância pode ter várias fases dentro de uma fase principal, cada qual com uma estrutura molecular diferente.
Uma fase é identificada como tendo uma organização molecular distinta, que é homogênea em toda a fase e separada das outras fases por fronteiras facilmente identificáveis. 
Por exemplo, as duas fases de H2O em um copo de água com gelo;
3.2 Fases de uma Substância Pura
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Termodinâmica – 2012
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Ao estudar fases ou mudanças de fases em Termodinâmica, não é preciso se preocupar com a estrutura molecular e com o comportamento das diferentes fases. 
Entretanto, é útil ter uma certa compreensão do fenômeno molecular envolvido
em cada fase.
As ligações intermoleculares são mais fortes nos sólidos e mais fracas nos gases. 
Um motivo para isso é que as moléculas dos sólidos estão mais compactadas, enquanto nos gases elas estão separadas por distâncias relativamente grandes.
3.2 Fases de uma Substância Pura
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Sólido:
As moléculas num sólido estão organizadas num padrão tridimensional (rede) que se repete em todo o sólido.
Devido às pequenas distâncias entre as moléculas num sólido, as forças de atração entre as moléculas são grandes e mantêm as moléculas em posições fixas.
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Líquido:
O espaçamento molecular na fase líquida não é muito diferente daquele na fase sólida, exceto pelas moléculas que não estão mais em posições fixas com relação às outras e podem girar e transladar livremente.
3.2 Fases de uma Substância Pura
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Gás:
Na fase gás, as moléculas estão distantes umas das outras, e não existe uma ordem molecular. 
Moléculas de gás se movimentam aleatoriamente, colidindo continuamente
entre si e com as paredes do recipiente em que se encontram.
3.2 Fases de uma Substância Pura
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3.2 Fases de uma Substância Pura
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3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Há inúmeras situações práticas em que duas fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio.
Por ser uma substância familiar, a água é utilizada para demonstrar os princípios básicos envolvidos na mudança de fase.
Ressalta-se que todas as substâncias puras exibem, de uma forma geral, o mesmo comportamento.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Há inúmeras situações práticas em que duas fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio.
Por ser uma substância familiar, a água é utilizada para demonstrar os princípios básicos envolvidos na mudança de fase.
Ressalta-se que todas as substâncias puras exibem, de uma forma geral, o mesmo comportamento.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Temperatura de Saturação
A uma determinada pressão, a temperatura na qual uma substância pura muda de fase é chamada de temperatura de saturação Tsat . 
(Por exemplo, a uma pressão de 101325 Pa a Tsat da água = 99,97°C.)
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Pressão de Saturação
Da mesma forma, a uma determinada temperatura, a pressão na qual uma substância pura muda de fase é chamada de pressão de saturação, psat . 
	(Por exemplo, a uma temperatura de 99,97 °C, psat da água = 101,325 kPa.)
3.3 Processos de Mudança de Fase
de Substâncias Puras
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Calor Latente
A quantidade de energia absorvida ou liberada durante um processo de mudança de fase é chamada de calor latente.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Calor Latente de Fusão
Quantidade de energia absorvida durante a fusão e é equivalente à quantidade de energia liberada durante a solidificação.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Calor Latente de vaporização 
Quantidade de energia absorvida durante a vaporização e é equivalente a energia liberada durante a condensação.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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As magnitudes dos calores latentes dependem da temperatura ou da pressão na qual ocorre a mudança de fase.
À pressão de 1 atm, o calor latente de fusão da água é de 333,7 kJ/kg e o calor latente de vaporização é de 2256,5 kJ/kg.
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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Durante o processo de mudança de fase, pressão e temperatura são propriedades dependentes, existindo definitivamente uma relação entre elas: 		
	Tsat = f (psat).
A curva de saturação líquido-vapor de
uma substância pura (valores numéricos: água).
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
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3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de 	Mudança de Fase
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É mais fácil estudar e entender as variações das propriedades durante os processos de mudança de fase com o auxílio dos diagramas 
		T-v		p-v 		p-T 				das substâncias puras.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama 	T-v
O processo de mudança de fase da água à pressão de 1 atm foi descrito anteriormente e traçado uma diagrama T-v.
Agora, repetiremos esse processo a pressões diferentes para desenvolver o diagrama T-v.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama 	T-v
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Ponto Crítico
O ponto no qual os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos. 	
(Por exemplo, para água 22,06 MPa, 373,95 °C e 0,003106 m³/kg.)
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama 	T-v de uma substância pura
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama P-v
A forma geral do diagrama p-v de uma substância pura é muito parecida com o diagrama T-v, porém as linhas de T constante desse diagrama apresentam uma tendência descendentes.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama 	p-v de uma substância pura
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama p-v de uma substância que se contrai ao solidificar
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama p-v de uma substância que se expande ao solidificar
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Ponto Triplo
Ponto sob determinadas condições em que todas as três fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio. 
(Por exemplo, para a água 0,01°C e 0,6117kPa.)
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Ponto Triplo
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Nenhuma substância pode existir na fase líquida em equilíbrio estável a pressões abaixo da pressão do ponto triplo.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama P-T
Este diagrama é frequentemente chamado de diagrama de fase, uma vez que todas as três fases são separadas umas das outras três linhas.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Diagrama p-T de uma substância pura.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Superfície p - v - T
As superfícies p-v-T apresentam uma grande quantidade de informações simultaneamente.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Superfície p - v - T
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
Superfície p-v-T de uma substância
pura que se contrai ao solidificar.
Superfície p-v-T de uma substância
pura que se expande ao solidificar.
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Prof Dr Eduardo Dechechi
Exercícios extraclasse:
Problemas 3-1C a 3-12C, Livro Çengel.
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de Mudança de Fase
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Prof Dr Eduardo Dechechi
Básicas
ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., 2007. Termodinâmica. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p.
Complementares
BORGNAKKE, C. & SONNTAG, R.E., 2009. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo, SP: Edgard Blücher, 659p.
MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., 2009. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p.
INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2008. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 643p.
Bibliografia
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi