Gráficos P - v - T para substância pura

Teoria Completa

Diagramas de fase

Quando esquentamos água na panela, sabemos que ela começará a ferver ao atingir 100   ° C . Temos esse conhecimento, porque ele faz parte da nossa experiência diária. Mas como podemos conhecer o comportamento da água em situações incomuns, onde as pressões são diferentes da atmosférica e as transformações de fase são diferentes da ebulição?

Para esses casos menos frequentes, precisamos da ajuda de gráficos que mostram como as propriedades das substâncias variam ao mudar de fase. Esses gráficos são conhecidos como diagramas de fase. Eles têm a forma abaixo. Mas ao invés de só mostrar todos esses diagramas prontinhos, mostraremos o passo a passo de como eles são desenhados.

Os gráficos acima representam o comportamento de todas as substâncias simples compressíveis.

Temperatura e pressão de saturação

Ou seja, nós vamos acompanhar os valores de temperatura e volume específico da água pura, conforme ela for esquentando à pressão constante. Então vamos começar pelo caso que já conhecemos: aquecimento de água pura à pressão atmosférica. Agora imagine ela sendo aquecida com temperatura inicial de 20   ° C em um conjunto cilindro-pistão.

Depois de um tempo desde o início da transferência de calor, a temperatura da água líquida atinge 100   ° C . Mesmo com uma grande variação de temperatura, o volume específico quase não cresce e a pressão é mantida constante pelos pesos.

Deste momento em diante, todo calor adicional é usado pela água para transformar sua fase líquida em vapor. Chamamos essa temperatura que faz a substância passar de uma fase para outra de temperatura de saturação. Ou seja, a temperatura de saturação da água à pressão atmosférica vale 100   ° C .

T s a t P a t m = 100   ° C

Sendo T s a t a temperatura de saturação e P a t m a pressão atmosférica.

Isto é, sabendo o valor da pressão do líquido, podemos determinar qual temperatura ele precisa ter para começar a gerar vapor. Mas e quando conhecemos apenas a temperatura do líquido? Como podemos saber se ele está apto a virar vapor? Descobrindo sua pressão de saturação! A pressão de saturação da água a 100   ° C vale 101325   P a (ou 1   a t m ).

P s a t 100   ° C = 101325   P a

Em outras palavras, a pressão de saturação é a pressão que faz a substância mudar de fase.

Também podemos chamar a temperatura de saturação de temperatura de ebulição e a pressão de saturação de pressão de ebulição.

Líquido comprimido e líquido saturado

Antes do líquido atingir a temperatura de saturação, ele é chamado de líquido comprimido ou líquido subresfriado.

Assim que o líquido alcançou a temperatura de saturação, mas ainda não começou a vaporizar, ele é chamado de líquido saturado. Nesse estado, a substância possui o título x igual a zero, porque ainda não foi produzido vapor.

x l = m v a p m = 0 m = 0

onde x l é o título do líquido saturado.

Ou seja, a água líquida a 100   ° C à pressão atmosférica tem título nulo x l = 0 .

Vapor saturado e vapor superaquecido

Se continuarmos a dar calor para a água líquida saturada, ela usa totalmente essa energia para mudar de fase. Isso quer dizer que a temperatura da água permanece constante em 100   ° C durante sua vaporização.

Depois que a última gota de líquido vaporizou, resta somente vapor d’água a 100   ° C no cilindro. Esse vapor à temperatura de saturação é chamado de vapor saturado. Seu título x é igual a um, porque a massa total é igual à massa de vapor.

x v = m v a p m = m m = 1

onde x v é o título do vapor saturado.

O calor necessário para fazer o líquido se converter totalmente em vapor é chamado de calor latente de vaporização. Após o fim da conversão de líquido em vapor, o aquecimento passa a gerar um aumento na temperatura da substância. Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação, ele é chamado de vapor superaquecido.

Linhas de líquido saturado e de vapor saturado

Se repetirmos esse processo de aquecimento da água para pressões cada vez maiores, vamos notar que as curvas desses processos têm formas muito parecidas. Apesar disso, conseguimos perceber algumas diferenças entre elas:

  1. Quanto maior a pressão, menor a diferença entre os volumes específicos do líquido saturado e do vapor saturado. Essa tendência permanece até um momento, em que o líquido saturado e o vapor saturado possuem o mesmo valor de volume específico.
  2. Quanto maior a pressão, maior a temperatura de saturação.

A soma dos pontos que representam líquidos saturados, geram uma linha de líquido saturado nos gráficos de temperatura versus volume específico ( T - v ) e de pressão versus volume específico ( P - v ). Analogamente, a soma dos pontos que representam vapores saturados, geram uma linha de vapor saturado nesses mesmos diagramas.

Essas linhas são muito importantes, porque delimitam a região bifásica ou região de saturação da substância. Os pontos à esquerda desse território são líquidos comprimidos e os pontos à direita são vapores superaquecidos.

Curva de pressão de vapor ou linha de vaporização

A pressão de saturação e a temperatura de saturação formam um único ponto no gráfico de pressão versus temperatura ( P - T ). O conjunto desses pontos forma a curva de pressão de vapor da substância. Ela também é chamada de linha de vaporização, porque ela divide a fase líquida do vapor. Ou seja, a substância só consegue atravessar a linha, caso vaporize.

Essa curva é importante, porque mostra que para uma determinada pressão existe uma única temperatura de saturação. O oposto também é verdadeiro: para uma determinada temperatura, existe uma única pressão de saturação. Ou seja, a pressão e a temperatura são dependentes na região de saturação. Nesse local, se variarmos a pressão, a temperatura varia.

Ponto crítico

Se esquentarmos água líquida à pressão constante de 22,09   M P a até ela virar vapor superaquecido, verificamos que a curva produzida no gráfico T - v não possui um processo de vaporização à temperatura constante. Ela tem apenas um ponto de inflexão chamado de ponto crítico. Antes dele existe apenas líquido e depois dele existe apenas vapor.

Chamamos a temperatura, a pressão e o volume específico do ponto crítico de temperatura crítica T c , pressão crítica P c e volume específico crítico v c . Processos de aquecimento isobáricos à pressões maiores ou iguais a P c , nunca terão duas fases coexistindo. Ou a substância é líquido ou ela é vapor.