Equilíbrio de fases e diagrama de fases unitário

Teoria Completa

E aiiiiiiiiiii pessoal!!!! Tranquilinho?

Já vimos no tópico anterior o quê é uma fase e como verificar a diferença entre fases. Agora vamos entender melhor como se dará o equilíbrio de fases!

Equilíbrio de fases

Antes de falarmos de equilíbrio de fases precisamos entender o conceito de equilíbrio. Equilíbrio pode ser bem descrito pelo aspecto termodinâmico.

Vamos fazer uma analogia entre equilíbrio termodinâmico e equilíbrio mecânico de blocos rígidos.

A figura mostra um mesmo tipo de bloco em três condições distintas. A posição (c) mostra um bloco apoiado sobre sua face de maior área. Intuitivamente, pode-se perceber que nenhuma mudança de posição ocorrerá espontaneamente no bloco. Essa pode ser, portanto, considerada sua posição de maior equilíbrio mecânico. Note que essa posição corresponde à posição mais baixa do centro de massa do bloco. A posição (b) mostra o bloco apoiado sobre uma aresta. É fácil notar que o bloco não consegue manter-se nessa posição, tendendo cair para a posição (a) ou (c), sem a necessidade de se exercer nenhuma força sobre o mesmo, isto é, não há uma barreia energética para a passagem a um estado mais estável. Essa posição pode ser considerada, portanto, uma posição de equilíbrio mecânico instável. Essa situação corresponde à posição mais alta do centro de massa do bloco. A posição (a) mostra o bloco apoiado sobre uma face de menor área. Apesar de não ser essa posição de maior equilíbrio, não existe dúvida que o bloco pode permanecer nessa posição indefinidamente, se nenhuma força é exercida sobre ele, ou seja, há uma barreira energética para a passagem para um estado mais estável. A esse particular estado de equilíbrio se dá o nome de equilíbrio metaestável.

Agora que temos os conceitos sobre equilíbrio mecânico vamos fazer a analogia com os conceitos de equilíbrio termodinâmico. Na figura abaixo são apresentados esquematicamente os aspectos termodinâmicos envolvidos em uma determinada transformação sofrida por um sistema material. O eixo x apresenta a evolução da transformação e no eixo y são apresentadas as variações de uma grandeza denominada energia livre, que é uma função da energia interna de um sistema e, também, da aleatoriedade ou desordem dos átomos ou moléculas (ou entropia).

Supondo que o sistema se encontre inicialmente em um estado 1, em equilíbrio metaestável, para que ele seja levado a um estado 3, em que apresente um equilíbrio estável, deve sofrer uma transformação acompanhada de uma redução efetiva de energia, ou seja, o sistema deve aumentar sua energia para depois retornar a um estado de energia mais estável. De fato, observando a figura pode-se notar que a variação de energia durante a transformação ( ∆ G 1 - 3 ) é dada por:

∆ G 1 - 3 = G 3 - G 1 < 0

Da equação acima pode-se concluir que o sistema está no seu estado de maior equilíbrio quando a energia livre atinge o valor mínimo, já que nenhuma transforma espontânea, que exige redução efetiva de energia, pode ocorrer. Uma consequência disso é que, se um sistema passa de uma condição, termodinâmica para outra, através, por exemplo, de uma variação de temperatura, para que ele atinja o equilíbrio estável na nova condição ele deve sofrer transformações que o levem ao menor nível de energia correspondente a essa nova condição. E, se um sistema está em um equilíbrio metaestável em uma determinada condição termodinâmica, ele potencialmente apresenta a tendência de sofrer transformações que o levem a um estado mais estável, desde que seja fornecida a energia de ativação necessária para vencer a barreira energética que inibe a transformação.

Agora que vimos o conceito de equilíbrio termodinâmico, vamos entender o conceito de equilíbrio de fases. Esse termo refere-se ao equilíbrio na medida em que este se aplica a sistemas nos quais pode existir mais que uma única fase. Suponha que o sistema esteja em equilíbrio no ponto amarelo e a solução esteja em contato com o açúcar sólido, ou seja, a 20 ° C com composição de agua de 3 5 % e composição de açúcar de 6 5 % . Se a temperatura do sistema for aumentada rapidamente para 100 ° C esse equilíbrio ficará perturbado, pois o limite de solubilidade foi aumentado para 80 % de açúcar. Assim, uma parte do açúcar sólido entrará em solução. Isso ocorrerá até que a nova concentração de equilíbrio seja estabelecida.

Diagrama de fases unitário

As informações sobre as fases de um sistema específico são mostrado no diagrama de fases, ou também conhecido como diagrama de equilíbrio. Há três parâmetros que afetaram a estrutura das fases:

  • Temperatura
  • Pressão
  • Composição química

E os diagramas são construídos combinando esses parâmetros acima umas em função das outras.

Um dos diagramas mais simples e fácil é o diagrama para um sistema com um único componente, como o diagrama de fases pressão temperatura para água, ilustrado acima.

No diagrama acima vemos três curvas que separam as fases: sólida, liquida e vapor da água. Por exemplo, para uma pressão de 1 atm e temperatura de - 10 ° C temos gelo. Mantendo a pressão e subindo a temperatura para 0 ° C teremos gelo e água coexistindo juntos. Agora mantendo a pressão de 1 atm e aumentando para 60 ° C teremos água, se continuarmos subindo a temperatura até 120 ° C teremos vapor de água. Note que nesse diagrama temos um ponto onde às três curvas sem encontram. Esse ponto é conhecido como ponto triplo e nele coexistem os três estados juntos.

Observe que tendo a pressão e a temperatura conseguimos, através do diagrama, saber em qual fase o componente estará.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

O diagrama de fases é um gráfico que permite definir em que estado físico uma substância se encontra num dado instante, sobre este gráfico determine a alternativa correta:

  1. O diagrama é dividido em duas regiões, que representam o estado sólido e gasoso.
  2. O estado físico uma substância só pode ser determinado quando é de conhecimento os dados: temperatura e pressão.
  3. A maioria dos diagramas de fases são obtidos em condições de equilíbrio.
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Passo 1

O diagrama é dividido em três regiões, que representam o estado sólido, líquido e vapor.

Passo 2

O estado físico uma substância só pode ser determinado quando é de conhecimento os dados: temperatura, pressão e composição.

Passo 3

A maioria dos diagramas de fases são obtidos em condições de equilíbrio.

Resposta

Alternativa 3

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Sobre os pontos das linhas que delimitam as regiões que indicam os valores de temperatura e pressão, temos diferentes curvas, sobre estas curvas escolha a opção correta.

  1. Curva de fusão: separa as áreas que correspondem aos estados gasoso e líquido.
  2. Curva de vaporização: separa as áreas que correspondem as fases líquida e vapor.
  3. Curva de sublimação: separa as áreas que correspondem as fases sólida e liquida.
MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Curva de fusão: separa as áreas que correspondem aos estados sólido e líquido.

Passo 2

Curva de vaporização: separa as áreas que correspondem as fases líquida e vapor.

Passo 3

Curva de sublimação: separa as áreas que correspondem as fases sólida e vapor.

Resposta

Alternativa 2

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Descreva sucintamente o que significa ponto triplo presente nos diagramas de fases.

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Passo 1

Ponto triplo é a intersecção das três curvas (fusão, vaporização e sublimação). Este ponto indica os valores de temperatura e pressão que a substância pode ao mesmo tempo estar nos três estados.

Resposta

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Descreva sucintamente o que significa ponto crítico presente nos diagramas de fases.

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Passo 1

No ponto crítico é encontrada a maior temperatura em que a substância se encontra na forma de vapor. A partir desse ponto não é mais presumível distinguir os estados líquido e vapor. Para temperaturas acima do ponto crítico a substância passa a ser um gás.

Resposta

Exercício Resolvido #5

Ita - 2013

Considere o diagrama de fase hipotético representado esquematicamente na figura a seguir:

O que representam os pontos A, B, C, D e E?

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Resposta

ponto A: ponto de sublimaçãoponto B: ponto triploponto C: ponto de fusão/solidificaçãoponto D: ponto de vaporização/condensaçãoponto E: ponto crítico

Exercício Resolvido #6

UECE - 2009

Observando o diagrama de fase PT mostrado a seguir. Pode-se concluir, corretamente, que uma substância que passou pelo processo de sublimação segue a trajetória:

  1. X ou Y
  2. Y ou U
  3. U ou V
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Passo 1

Primeiramente devemos relembrar o conceito de sublimação, que é a passagem do estado sólido diretamente ao gasoso.

Observamos que o Y e o U passam diretamente do solido para o gasoso (vapor)

Resposta

Alternativa 2

Exercício Resolvido #7

UECE - 2009

Considere o diagrama de fases do CO2 (dióxido de carbono). Uma pedra de gelo seco (CO2) está submetida a uma pressão de 2 atm. Ela é aquecida, mantendo-se a pressão constante. Em um determinado instante começa a ocorre uma mudança de fase. Qual o nome desta mudança?

  1. Sublimação
  2. Vaporização
  3. Condensação
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Passo 1

Irá ocorrer a sublimação

Resposta

Alternativa I

Exercício Resolvido #8

UECE - 2009

Uma determinada abundância de CO2 líquido é submetida a uma pressão de 56 atm, e está confinada em um invólucro. Se o líquido for esquentado, conservando-se uma pressão constante, qual o valor da temperatura em que irá ocorrer a vaporização?

  1. -57°C
  2. 20°C
  3. 31°C
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Passo 1

Irá ocorrer a vaporização quando a temperatura atingir 20° C.

Resposta

Alternativa II

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