Dentre os conceitos fundamentais importantes para a Mecânica dos Fluídos, defina e comente o mais completamente possível sobre as seguinte variáveis, princípios e propriedades:
Pressão de vapor
Pressão de vapor
Passo 1
O enunciado pede para definirmos e comentarmos, de forma completa, o conceito de pressão de vapor, que é um tema de termodinâmica de fluidos envolvendo equilíbrio de fases e transferência de massa. Vamos precisar do conceito de equilíbrio líquido-vapor, da dependência com a temperatura e de sua aplicação a fenômenos como ebulição e cavitação.
Passo 2
A pressão de vapor de um líquido é a pressão parcial que o vapor desse líquido exerce quando está em equilíbrio dinâmico com sua fase líquida numa dada temperatura. Em outras palavras, num sistema fechado contendo líquido e vapor, a pressão de vapor
é tal que a taxa de evaporação (moléculas que deixam o líquido) se iguala à taxa de condensação (moléculas que retornam ao líquido).
Esse equilíbrio varia com a temperatura: quanto maior
, maior
. Essa relação pode ser aproximada pela equação de Clausius-Clapeyron, válida para mudanças de fase líquida–vapor:
onde
é o calor latente de vaporização e
é a variação de volume molar entre vapor e líquido. Integrando sob certas hipóteses, obtém-se a forma
mostrando que
cresce exponencialmente com
.
Passo 3
Na Mecânica dos Fluidos, a pressão de vapor é crucial em dois fenômenos principais:
- Ebulição: um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor atinge a pressão ambiente. A temperatura de ebulição é a solução de
. - Cavitação: em fluxos internos (bombas, turbinas), se a pressão estática local cai abaixo de
, formam-se bolhas de vapor. Essas bolhas podem implodir em zonas de pressão mais alta, causando erosão e queda de desempenho. O parâmetro NPSH (Net Positive Suction Head) relaciona a pressão mínima no fluido com para evitar cavitação.
Passo 4
Fatores que afetam
:
– Natureza do líquido: moléculas com ligações fortes (por ex. água) têm menor que líquidos voláteis (por ex. éter).
– Presença de solutos: adição de solutos não-voláteis reduz por efeito de Raoult.
– Superfície e contaminação: contaminantes e superfícies rugosas podem alterar o equilíbrio de evaporação/condensação, mas o principal é a temperatura.
– Natureza do líquido: moléculas com ligações fortes (por ex. água) têm
– Presença de solutos: adição de solutos não-voláteis reduz
– Superfície e contaminação: contaminantes e superfícies rugosas podem alterar o equilíbrio de evaporação/condensação, mas o principal é a temperatura.
Resposta
A pressão de vapor é a pressão exercida pelo vapor de um líquido quando este está em equilíbrio dinâmico com sua fase líquida a uma dada temperatura. Ela cresce com a temperatura conforme a equação de Clausius-Clapeyron e determina a temperatura de ebulição do líquido sob uma pressão externa, além de ser um parâmetro fundamental para prever e evitar cavitação em equipamentos hidráulicos.