Determine a fase ou as fases de um sistema que consiste em
nas seguintes condições e esboce os diagramas
e
mostrando a localização de cada estado.
(d)
bar.
(d)
Passo 1
O enunciado dá um sistema contendo
nas condições:
- Temperatura:
. - Pressão:
.
O que se pede:
- Determinar a(s) fase(s) presentes nessas condições (por exemplo: gelo, líquido, vapor, mistura).
- Esboçar (descrever) os diagramas
– e – e indicar onde esse estado fica em cada diagrama.
Passo 2
Ideia e critério prático para decidir a fase: para substâncias puras (como água) a fronteira entre líquido e vapor, a uma dada temperatura
, é a pressão de saturação
. O critério é simples:
- Se
então, àquela temperatura, o equilíbrio favorece vapor (ou vapor superaquecido se estiver fora da curva). - Se
então pode haver mistura líquido–vapor (ponto saturado). - Se
então, àquela temperatura, o fluido está na fase líquida comprimida (também chamada de sub-resfriada).
Vou usar esse critério comparando
dado com
.
Passo 3
Valor da pressão de saturação da água a
. Consultando tabelas de vapor saturado (tabela de propriedades da água) tem-se
Agora compare com a pressão do enunciado:
Portanto a pressão fornecida é muito maior do que a pressão de vapor que a água teria a
.
Passo 4
Interpretação física do resultado do passo anterior: como
a água não pode estar em equilíbrio vapor–líquido àquela temperatura — o vapor seria condensado se houvesse vapor. Assim o sistema está na fase líquida única, especificamente em condição de líquido comprimido (sub-resfriado), ou seja, líquido cuja pressão é maior do que a pressão de saturação à mesma temperatura.
Observação adicional de compreensão:
- A temperatura crítica da água é
. Estamos muito abaixo de , então não há situação de fluido supercrítico aqui. - Também não está em região sólida, pois
é acima da fusão do gelo.
Passo 5
Propriedades típicas e como posicionar no diagrama: o volume específico do líquido não varia muito com a pressão quando se está longe da região crítica. A tabela dá para
o volume específico de líquido saturado
Como estamos num líquido comprimido a
, o volume específico real será muito próximo desse valor; uma boa aproximação prática é
Passo 6
Como esboçar o diagrama
–
e localizar o ponto (descrição para desenhar à mão):
- Eixos: eixo vertical
(escala linear ou log), eixo horizontal . - Desenhe a “cúpula de vapor” (vapor dome) com a linha da esquerda sendo a linha de líquido saturado
e a linha da direita sendo a linha de vapor saturado . Marque o ponto crítico no topo da cúpula. - Abaixo da cúpula, à esquerda fica a região de líquido comprimido; à direita, dentro da cúpula, a mistura; acima/direita fora da cúpula, vapor superaquecido.
- Localização do estado dado: marque um ponto com
(valor alto no eixo vertical) e (posição bem à esquerda do domínio horizontal). Esse ponto estará à esquerda da linha de líquido saturado para qualquer temperatura próxima, ou seja, claramente dentro da região de líquido comprimido.
Passo 7
Como esboçar o diagrama
–
e localizar o ponto (descrição para desenhar à mão):
- Eixos: eixo vertical
, eixo horizontal . - Desenhe a projeção da cúpula de vapor (em
– o tope da cúpula ocorre em ). Para cada temperatura há um (linha esquerda) e (linha direita). - Marque a linha horizontal
. - Na interseção dessa linha com a borda esquerda da cúpula está
. O estado comprimido a terá muito próximo e à esquerda dessa borda (um pouco menor), então marque o ponto sobre a linha e ligeiramente à esquerda de . Isso representa líquido comprimido (mesma temperatura de 20^\circC, mas pressão maior que a de saturação correspondente).
Passo 8
Resumo físico curtinho e incentivo: portanto, não se trata de mistura nem de vapor — é água líquida, comprimida (sub-resfriada). É um caso comum: água a temperatura ambiente mas sob alta pressão permanece como líquido e com volume específico praticamente o do líquido saturado à mesma temperatura. Vai dar certo na prova: compare
com
; se for maior, é líquido comprimido — simples assim!
Resposta
Líquido comprimido (sub-resfriado)