Aula 01 Introdu o

5/20/2018 Aula 01 Introdu o

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00a

1 Conceitos bsicos

2 Comportamento de gases

3 As leis da termodinmica

3.1 A primeira lei da termodinmica

3.2 A segunda lei da termodinmica

3.3 Representao matemtica da primeira e da segunda lei

3.4 Relaes matemticas entre a primeira e a segunda lei

4 Termodinmica e as reaes qumicas

5 Equilbrio

6 Compostos Simples

7 Solues

8 Diagrama de equilbrio

8.1 - regra das fases

8.2 - Diagramas de equilbrio binrio

8.3 - Diagramas de equilbrio ternrio

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Diagrama de Ellingham

Ementa


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00b

Material Didtico

Livro Texto Principal


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00c

Material Didtico

Textos especficos em Termodinmica em materiais

MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and MaterialsScience ; Departments of chemical engineering andmaterials science and engineering.http://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.html

GASKELL, David R.; Introduction to metallurgicalthermodynamics. Mc Graw-hill book company. NewYork, 1981, 610p.

RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. JohnWiley & Sons, New York, 1995, 309.

RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. JohnWiley & Sons, New York, 1995, 309.

ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. Fsico-

Qumica, Uma aplicao aos materiais. Rio de Janeiro,2002, 606p.
http://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.htmlhttp://chemeng.stanford.edu/html/course_notes.html


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Material Didtico

Textos em Termodinmica qumica ou Fsico-Qumica

ATKINS, P.W.; Fisico-Qumica Vol 1. Editora LTC, Rio deJaneiro, 1999, 251.

SMITH, J.M.; Introduo termodinmica da

Engenharia Qumica. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000,697Textos Diagramas de equilbrio

SEGADES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria eaplicao em cermica. Editora Edgard blucher LTDA.So Paulo, 1987, 184p.

BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibriain ceramics. The American Ceramic Society Inc.,Columbus, Ohio, 1984,156p.


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01

Britnicos inventam ovocozido

"auto-cronometrado"

espectro bastante abrangente comocincia da ENERGIA

relaes entre as PROPRIEDADES da matria.

Termodinmica conhecida desde a Antigidade

Estudo formal comeou no sculo XIX, motivado pela

utilizao do CALOR como fora motriz.

Atualmente

Na Fsica -interesse em compreender osfundamentos dos comportamentos Fsico eQumico da matria

Na Engenharia- interesse em estudarsistemas e suas relaes com a vizinhana


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O que termodinmica?

A Termodinmica est associada ao estudo de formas

de energia e como esta pode ser convertida em outrasformas de energia e trabalho.

Termodinmica clssica:

Tem seus conceitos focalizados na anlise de propriedadesmacroscpicas do sistema e o estudo da relao entre estaspropriedades.Baseia-se no estudo de fenmenos e na determinaoemprica das relaes de interesse.SISTEMA TRATADO COMO CONTNUO

A termodinmica clssica fornece as ferramentas fsicas ematemticas para determinar como as propriedades de ummaterial sero alteradas em funo de alteraes do sistema.


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02

O que termodinmica?

Termodinmica estatstica:

Utiliza como ferramenta a descrio estatstica docomportamento do sistema a parir do comportamento decada tomo do sistema, individualmente.

A termodinmica estatstica parte do princpio queconhecendo o comportamento do material a nvelmicroscpico possvel prever suas propriedadesmacroscpicas.


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03

O que termodinmica?

Termodinmica clssicaX

Termodinmica estatstica

Para a grande maioria das aplicaes emengenharia, a TERMODINMICA CLSSICAno somente propicia uma abordagem mais

direta para anlise e projeto mas tambmrequer menos complicaes matemticas.


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Termodinmica Energia - Materiais

Comprimento de ligao

F F

r

Eo

Energia de ligao

Energia (E)

ror

Comprimento de ligao

Energia de Ligao


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06

Termodinmica Energia - Materiais

Formao de defeitos


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Termodinmica Temperatura - Materiais

Transformao de fase

Diagrama de Equilbrio


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Termodinmica Temperatura - Materiais

Diagrama de Equlbrio


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SHS


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Cientistas estudam as efervescentes

ccegas no nariz provocadas pelasemanaes aromticas, caracterstica

excitante e inconfundvel do seu

encanto

A QUMICA QUE ESTRUTURAAS BOLHAS DO CHAMPANHE


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No CHAMPANHE e nas cervejas, o dixido de carbono ( CO2) o

principal responsvel pela formao de bolhas, originadas quando olevedo fermenta os acares, convertendo-os em molculas de

lcool e CO2. A carbonatao industrial a fonte da fermentao

nas bebidas gasosas.

Aps o engarrafamento, estabelece-se um equilbrio, de acordocom a lei de Henry, entre o CO2dissolvido no lquido e o gs que

est no espao sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a

quantidade de gs dissolvida em um fluido proporcional presso

do gs com o qual est em equilbrio.Quando o recipiente aberto, a presso do CO2 gasoso sobre o

lquido cai abruptamente, rompendo o equilbrio termodinmico at

ento prevalecente. Como resultado, o lquido supersaturado com

molculas de CO2.

lei de Henry

Equilbrio

equilbrio termodinmico


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Para recuperar uma estabilidade termodinmica correspondente

presso atmosfrica, as molculas de CO2 devem abandonar ofluido supersaturado. Quando a bebida vertida em um copo, dois

mecanismos permitem que o CO2dissolvido escape: a difuso do

lquido atravs da superfcie livre e a formao de bolhas.

Mas, para que se agrupem em bolhas embrionrias, as molculas

dissolvidas de dixido de carbono so foradas a abrir caminho

atravs das molculas lquidas agregadas, que esto fortemente

ligadas pelas foras de van der Waals (atrao bipolar).

Assim, a formao de bolhas limitada por esta barreira de

energia; para super-la so necessrias taxas de supersaturao

mais elevadas que as de bebidas carbonatadas.

estabilidade termodinmica

barreira de energia;


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Em lquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe,

vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formao de bolhas , exige

cavidades de gs preexistentes com raios de curvatura extensa o

suficiente para superar a barreira de nucleao de energia e

desenvolver-se livremente.

Isto se d porque a curvatura da interface da bolha acarreta um

excesso de presso no interior da bolsa de gs que inversamente

proporcional ao seu raio (de acordo com a lei de Laplace) .Quanto

menor a bolha, maior o excesso

raios de curvatura

barreira de nucleao de energia

curvatura

interface


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Resumo de termodinmica

As leis da termodinmica: Fornecem as regras bsicas

que governam as relaes entre variveis de umsistema. De uma forma geral, so as restries que anatureza impe ao processo de transformao deenergia.

Definies termodinmicas: So definidos parmetroscomo capacidade calorfica, compressibilidade,coeficiente de expanso trmica, entalpia, energia livrede Helmoltz e energia livre de Gibbs.

Variveis termodinmicas: O estado de um sistema definido em funo dos valores de algumaspropriedades, ou variveis do sistema. As diferentesvariveis que podem ser usadas para descrever esteestado incluem energia, entropia, composio qumica,temperatura, presso e volume.


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Resumo de termodinmica

Funes de estado: Est associado com variveis ondeo processo depende apenas das condies iniciais efinais, e independe da histria do sistema.

Relaes matemticas: Existem quatro relaes que

podem ser determinadas a partir de funes de estado.Estas relaes so denominadas por relaes deMaxwell.

Condies de equilbrio:Um sistema est em equilbrioquando todas as suas propriedades so independentesdo tempo e so funo apenas de suas variveis deestado. Deve-se tomar cuidado com esta definio jque em algumas situaes a variao de umapropriedade com o tempo muito lenta, podendo serconfundido com uma condio de equilbrio.


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Definies - Sistema

Sistema :

Refere-se regio macroscpica do universo definida eselecionada para anlise. Pode ser de qualquer tamanho,podendo at ser considerado todo o universo como umsistema.

SISTEMA

VIZINHANA FRONTEIRA


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Definies Tipos de Sistemas

Aberto : aquele em que existe trocade energia e troca de massa entresistema e vizinhana

Fechado: aquele em que existe trocade energia mas no existe troca demassa.

Isolado: Sistemas onde no ocorretroca de material ou energia.


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Definies Tipos de Sistemas

Sistemas puros ou compostos:

Sistemas puros so aqueles constitudos por uma substncia.Esta substncia pode ser um elemento atmico (Silcio) ouuma molcula (gua pura).Multicomponentes apresentam vrias substncias.

Homogneo ou Heterogneo: Um sistema homogneo temuma nica fase. Um sistema heterogneo apresenta vriasfases.

Reativo ou no reativo: sistemas reativos envolvem aformao ou dissociao de ligaes qumicas.

Simples ou complexo:Um sistema simples aquele que no influenciado por energias diferentes da energia mecnica,qumica ou trmica.


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Definies - Sistema

Sistema :

SISTEMA

VIZINHANA FRONTEIRA

SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLEVOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO

FRONTEIRA = SUPERFCIE DE CONTROLE


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Definies Funo de estado

Funes de estado: So variveis ou propriedades deum sistema que so independentes da histria dosistema, dependendo apenas do estado inicial e final dosistema. As funes de estado no dependem doprocesso pelo qual o sistema foi levado a este estado.

EXEMPLO - Temperatura

B


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Definies Funo de estado

outra definio)

Caractersticas MACROSCPICAS de um sistema, comoMASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSO E TEMPERATURA, queno dependem da histria do sistema.

Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura,

etc.), uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudana deseu valor entre dois estados independente do processo.

B


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Definies Estado

Condio do sistema, como descrito por suas propriedades.Como normalmente existem relaes entre as propriedades, oESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto depropriedades. Todas as outras propriedades podem ser

determinadas em termos desse subconjunto.

PROCESSO:Mudana de estado devido a mudana de umaou mais propriedades.

ESTADO ESTACIONRIO:Nenhuma propriedade muda com otempo.

CICLO TERMODINMICO: Seqncia de processos quecomeam e terminam em um mesmo estado.Exemplo: vapor circulando num ciclo de potncia.


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Definies Varivel de sistema

Variveis do sistema: Ao contrrio das funes deestado, as variveis do sistema so definidas apenasquando o processo que foi seguido para ir do estado Aao estado B conhecido.

Assim, a varivel de processo a varivel que no definida para estados de um sistema e tem sentido

apenas quando se fala no movimento de um estadopara outro.

EXEMPLO - calor (Q) e o trabalho (W).

B

Q1 W1

Q2W2

Q3 W3


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Definies Propriedade intensiva x

extensiva

Propriedades intensivas: so aquelas que nodependem do tamanho do sistema e podem serespecificadas para qualquer ponto do sistema.

No so aditivas

Seus valores no dependem do tamanho e extenso do sistema.

Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.

Exemplo: temperatura e presso.

Propriedades extensivas: so aquelas que no podemser especificadas para um ponto particular e dependemdo tamanho do sistema.

Seu valor para o sistema inteiro a soma dos valores das partes em que o sistema forsubdividido.

Dependem do tamanho e extenso do sistema.

Seus valores podem variar com o tempo.

Exemplo: massa, energia, volume.


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Quantidade

Quantidade molar X

m

)- Propriedade extensiva (X) deuma substncia dividido pela quantidade de matriapresente (n)

EXEMPLO: volume molar, massa molar

Quantidade parcial molar X

i

)- Propriedade extensiva(X) de um sistema composto, em funo da variao daquantidade de uma substncia A presente.

EXEMPLO: O volume parcial molar de uma substncia Aem uma mistura a variao do volume da misturaprovocada pela variao da quantidade do componenteA (vA)


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Fase e Substncia Pura

FASE

Quantidade de matria que homognea tanto emcomposio qumica quanto em estrutura fsica.Homogeneidade na estrutura fsica significa que a matria totalmente slida, totalmente lquida ou totalmentegasosa.

Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo:gua e seu vapor.Notar que os gases e alguns lquidos podem sermisturados em qualquer proporo para formar uma nicafase.

SUBSTNCIA PURA

invarivel em composio qumica e uniforme.Pode existir em mais de uma fase desde que sejagarantida a condio acima.


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Mtodo para resolver um problema

Os primeiros passos em uma anlise termodinmica so:

1 - Definio do sistema;

2 - Identificao das interaes relevantes com a vizinhana.

3 - Estabelecer:

O que conhecido: resumir o problema em poucas palavras;

O que procurado: resumir o que procurado;

4 - Esquema e dados:

Definir o sistema; identificar a fronteira;

Anotar dados e informaes relevantes;

Hipteses;Anlise: feita sobre as equaes

(conservao da massa, conservao da energia, segunda lei da termodinmica);

Comentrios: interpretar.


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Unidades

Tabela 1.1. Comparao SI e Sistema Ingls

Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m

Massa: 1 lbm = 0,45359237 kg

Fora :F= ma

1 N = 1 (kg) x 1 (m/s2)

1 lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2)

1 lbf = 4,448215 NTabela 1.4. SI Unidades - Prefixos


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Unidades

Tabela 1.5. Fatores de Converso entre unidades SI e do Sistema Ingls

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