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By Lucien Silvano Alhanati

  Física

Calor CAL

 

 Mudanças de Fase CAL05

Vaporização CAL0504

O que acontece quando comprimimos isotermicamente uma substância gasosa ? CAL050401

A substância gasosa quando comprimida isotermicamente pode ter os comportamentos mostrados a seguir.

A substância gasosa comprimida isotermicamente aumenta de pressão, não ocorrendo mudança de estado. A substância comporta-se de forma semelhante ao gás perfeito.

Nesta caso a substância gasosa é denominada de gás

A substância gasosa comprimida isotermicamente aumenta inicialmente de pressão, até atingir uma pressão máxima no ponto A da figura. 

A partir deste ponto A, continuando a compressão, constatamos que a pressão não aumenta sendo iniciada uma mudança de estado gasoso para estado líquido ( condensação ou liquefação).
Enquanto existir substância no estado gasoso a compressão não acarreta um aumento de pressão e sim uma condensação.
Quando toda substancia se encontrar no estado líquido, o que ocorre no ponto B, a compressão do líquido irá acarretar novamente aumento de pressão.

Nesta caso a substância gasosa é denominada de vapor

 O que é a temperatura crítica ? CAL050402

Temperatura Crítica é a temperatura acima da qual a substância gasosa tem o comportamento de gás.

  O que é um gás ? CAL050403

Gás é a substancia gasosa que comprimida isotermicamente não muda de estado, ou seja a substância gasosa que se encontra a uma temperatura acima da sua temperatura crítica.
O comportamento do gás é tão mais próximo do gás perfeito quanto maior for a sua temperatura.

O que é um vapor ? CAL050404

Vapor é a substancia gasosa que comprimida isotermicamente muda de estado, passando para o estado líquido, ou seja a substância gasosa que se encontra a uma temperatura abaixo da sua temperatura crítica.

O que são as Isotermas de Andrews  CAL050405

São as curvas representativas de evoluções isotérmicas da substância gasosa real num diagrama pressão x volume.

Na figura estão representadas 4 isotermas nas temperaturas T1 < T2 < TC < T3.
Na temperatura T3 a substância gasosa ao ser comprimida não muda de estado.
Nas temperaturas T1 e T2 a substância gasosa ao ser comprimida inicia a condensação nos pontos A e a termina nos pontos B. A condensação ocorre nos patamares AB. Verificamos que a medida que a compressão isotérmica se realiza à temperaturas cada vez maiores e mais próximas da temperatura crítica o patamar AB é cada vez menor.

 O que é a curva de saturação ? CAL050406

É a curva constituída pelos pontos de inicio e término de condensação, pontos A e B respectivamente.
A curva de saturação está representada na figura pela linha azul.

O que é a isoterma crítica ? CAL050407

A isoterma crítica é a curva que representa a evolução isotérmica na temperatura crítica.
A isoterma crítica está representada na figura pela linha vermelha.

A isoterma crítica e a curva de saturação dividem o plano p x V em 4 regiões cujos pontos representam:

  • Gás - região acima da isoterma crítica
  • Vapor - região abaixo da isoterma crítica e à direta da curva de saturação
  • Líquido - região abaixo da isoterma crítica e à esquerda da curva de saturação
  • Líquido + vapor - região no interior da curva de saturação

O que é o ponto crítico ? CAL050408

O ponto crítico é o ponto comum à isoterma crítica e à curva de saturação. Está representado na figura pelo ponto PC.

O que é vapor saturante ?   CAL050409

É o vapor que atingiu a sua pressão máxima à temperatura em que se encontra.
O vapor saturante quando comprimido isotermicamente se condensa e não aumenta de pressão.
Nas Isotermas de Andrews os pontos correspondentes ao vapor saturante estão nos patamares do interior da curva de saturação.
A pressão máxima do vapor de uma substância que é a pressão do vapor saturante na temperatura em que se encontra será representada por F

O que é vapor não saturante ? CAL050410

É o vapor que se encontra a uma pressão inferior a sua pressão máxima na temperatura em que se encontra.
O vapor não saturante quando comprimido isotermicamente aumenta de pressão.
Nas Isotermas de Andrews os pontos correspondentes ao vapor não saturante estão abaixo da isoterma crítica e à direita da curva de saturação.
A pressão do vapor não saturante será representada por f.

Como varia a pressão máxima de vapor de uma substância ? CAL050411

A pressão máxima do vapor de uma substância cresce com a temperatura.
A figura nos mostra que sendo T2 > T1 então F2 > F1

O que é a pressão crítica ? CAL050412

É a pressão do ponto crítico, isto é, a maior pressão máxima de vapor de uma substância ou ainda a pressão máxima do vapor da substância na temperatura crítica..
Acima da pressão crítica não existe mais vapor, isto é, não existe aquela substância gasosa que comprimida isotermicamente é capaz de se condensar.
A figura nos mostra o que foi afirmado.
A pressão crítica é representada por FC

O que acontece quando aquecemos isometricamente uma mistura de líquido e  vapor contida no interior de um recipiente ? CAL050413

Consideremos 3 tubos fechados contendo um líquido na presença de seu vapor saturante. 
Os tubos estão à mesma temperatura.
No tubo 3 o volume ocupado pelo líquido é maior que o ocupado pelo vapor.
No tubo 2 os volumes ocupado pelo líquido e pelo vapor são sensivelmente iguais.
No tubo 1 o volume ocupado pelo líquido é menor que o ocupado pelo vapor.

Os pontos que representam a situação de cada tubo pertencem ao patamar de uma isoterma. 
O tubo 1 onde o volume de líquido é menor que o de vapor corresponde ao ponto 1 mais próximo do início da condensação.
O tubo 3 onde o volume de líquido é maior que o de vapor corresponde ao ponto 3 mais próximo do término da condensação.
O tubo 2 onde o volume de líquido é aproximadamente igual ao do vapor corresponde ao ponto 2 de volume igual ao do ponto crítico.
A figura abaixo mostra as posições dos pontos. O aquecimento isométrico é representado por uma linha reta perpendicular ao eixo dos volumes.

Aquecimento isométrico do tubo 1. 
O ponto representativo do estado aproxima-se do ramo direito da curva de saturação indicando que o volume de líquido diminui até que em A1 todo o líquido passa para o estado gasoso. 
Durante o aquecimento o nível do líquido baixa até se anular em A1

Aquecimento isométrico do tubo 3
O ponto representativo do estado aproxima-se do ramo esquerdo da curva de saturação indicando que o volume de líquido aumenta até que em B3 todo o vapor passa para o estado líquido. 
Durante o aquecimento o nível do líquido sobe até que atinge o topo do tubo em B3.

Aquecimento isométrico do tubo 2
O ponto representativo do estado é mantido aproximadamente eqüidistante dos ramos esquerdo e direito da curva de saturação indicando que a relação entre os volumes de líquido e vapor permanece constante, até que no ponto crítico todo o conteúdo do tubo passa para o estado gasoso.
Durante o aquecimento o nível do líquido permanece constante. O contraste na superfície que separa o líquido do vapor torna-se cada vez mais tênue até que no ponto crítico ele desaparece e todo o conteúdo torna-se gasoso.

Quais são as modalidades de vaporização ?  CAL050414

A vaporização pode ser realizada de 3 maneiras diferentes.
Evaporação é a vaporização lenta que pode ocorrer à qualquer temperatura.
Ebulição é a vaporização que ocorre a uma temperatura fixa e determinada para cada substância a cada pressão.
Vaporização instantânea é a vaporização muito rápida que pode ocorrer à qualquer temperatura.

Qual é o mecanismo físico que explica as várias modalidades de vaporização ? CAL050415

Sabemos que a superfície livre de um líquido em contato com o meio exterior comporta-se como uma membrana elástica devido à tensão superficial.
Sabemos também que as moléculas do líquido estão em movimento aleatório e que se chocam com as paredes do recipiente que contem o líquido e com a membrana superficial.
O choque das moléculas com a membrana superficial resulta numa pressão F igual à pressão máxima do vapor do líquido na temperatura em que se encontra.
As moléculas gasosas existentes no meio exterior também se chocam com a membrana superficial dando origem a uma pressão p.

Três situações podem ocorrer
-- F > p a membrana superficial é rompida, as moléculas da substância se expandem para o meio exterior dando origem à vaporização instantânea.
-- F < p a membrana superficial não sofre ruptura, e apenas as moléculas da substância providas de  energia cinética acima da média conseguem passar pela membrana superficial, dando origem à evaporação. 
-- F = p o equilíbrio entre as pressões mantém a integridade da membrana superficial, as moléculas passam para o meio exterior quando recebem uma energia adicional (calor latente de vaporização), dando origem à ebulição. 

O que é a evaporação ? CAL050416

É a passagem lenta do estado líquido para o estado gasoso que ocorre à qualquer temperatura.

Quando ocorre a evaporação ? CAL050417

A evaporação ocorre quando a pressão p do meio exterior sobre a superfície livre do líquido for maior que F pressão máxima do vapor do líquido à temperatura em que se encontra.

F < p

O que é a velocidade de evaporação ? CAL050418

Considere que uma massa m do líquido é evaporada num tempo t. Denominamos de velocidade v de evaporação à razão 

v = m / t

Quais são os fatores que influenciam na velocidade de evaporação ? CAL050419

1-- Sabemos que a evaporação ocorre pela passagem das moléculas do líquido pela superfície do líquido em contato com o meio exterior. Conseqüentemente quanto maior for a área desta superfície maior será a velocidade de evaporação. 

A velocidade de evaporação v é proporcional a área A da superfície de contato do líquido com o meio exterior.

2 -- Sabemos que as moléculas do líquido em choque com a membrana superficial exercem uma pressão igual a F (pressão do vapor saturante). Quanto maior for a pressão F maior a probabilidade de moléculas do líquido escaparem para o meio exterior. 
As moléculas do líquido que escaparam para o meio exterior em choque com a membrana superficial exercem de fora para dentro uma pressão f (pressão do vapor não saturante). Quanto maior for a pressão f maior a probabilidade de moléculas retornarem para o interior do líquido. A evaporação corresponde ao saldo entre as moléculas que saem e as que entram para o líquido.

A velocidade de evaporação v é proporcional a diferença entre F e f.

3-- A pressão do meio exterior sobre o líquido é promovida pelo choque de várias moléculas  sobre a membrana superficial. Estas moléculas ao se chocarem com as moléculas do líquido que passariam pela membrana fazem as mesmas retornarem ao líquido, dificultando a evaporação.

A velocidade de evaporação v é inversamente proporcional à pressão p exercida pelo meio exterior.

4-- As moléculas que se desprenderam do líquido atravessando a membrana superficial ficam concentradas junto a mesma, aumentando a pressão f e dificultando a evaporação.
Uma ventilação eficiente promove a retirada destas moléculas, melhorando a evaporação.

A velocidade de evaporação v é proporcional a uma constante K representativa da intensidade da ventilação junto à membrana superficial do líquido. 

Resumindo podemos escrever que a velocidade de evaporação é

v = K.A.(F - f) / p

O que é a ebulição ? CAL050420

É a passagem do estado líquido para o estado gasoso que se verifica a uma temperatura fixa e determinada para cada substância a cada temperatura.

Quando ocorre a ebulição ? CAL050421

A ebulição ocorre quando a pressão máxima F do vapor do líquido na temperatura em que se encontra for igual à pressão p do meio exterior.

F = p

Quais são os fatores que influenciam na temperatura de ebulição ? CAL050422

A temperatura de ebulição é fortemente influenciada pela pressão.
Um aumento da pressão p acarretará um aumento de F (pressão máxima do vapor de líquido), que sendo função crescente da temperatura, só ocorrerá em temperaturas mais elevadas.
Concluímos que um aumento da pressão acarretará sempre um aumento da temperatura de ebulição.

O que é a vaporização instantânea ? CAL050423

É a passagem muito rápida do estado líquido para o estado gasoso que pode ocorrer à qualquer temperatura.

Quando ocorre a vaporização instantânea ? CAL050424

A vaporização instantânea ocorre quando a pressão máxima F do vapor do líquido na temperatura em que se encontra for maior que a pressão p do meio exterior.

F > p

Qual é o Princípio da Parede Fria de Watt ? CAL050425

"Num recipiente fechado contendo um líquido e seu vapor a pressão do vapor é igual à sua pressão máxima na temperatura da parede mais fria"

Num recipiente fechado contendo um líquido este se vaporiza até saturar o ambiente. Se existirem paredes à temperaturas diferentes a saturação do ambiente ocorrerá quando  a pressão do vapor atingir o valor da menor pressão máxima, que é a pressão máxima na menor temperatura.

Quando há um incêndio próximo a um tanque fechado contendo combustível, para evitar a explosão do tanque basta resfriar uma parede mais afastada do incêndio. Qual é o motivo ? CAL050426

Mantendo uma parede a uma temperatura baixa a pressão do vapor do combustível, no interior do tanque, não ultrapassa o valor da pressão máxima à esta temperatura, não importando a temperatura das outras paredes.

Não havendo aumento de temperatura desta parede não haverá aumento da pressão do vapor, evitando-se desta forma a explosão do tanque.


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