Ementa TMA 1 – Conceitos básicos 2 – Comportamento de gases

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1 Ementa TMA 1 – Conceitos básicos 2 – Comportamento de gases
3 – As leis da termodinâmica 3.1 – A primeira lei da termodinâmica 3.2 – A segunda lei da termodinâmica 3.3 – Representação matemática da primeira e da segunda lei 3.4 – Relações matemáticas entre a primeira e a segunda lei 4 – Termodinâmica e as reações químicas 5 – Equilíbrio 6 – Compostos Simples 7 – Soluções 8 – Diagrama de equilíbrio 8.1 - regra das fases 8.2 - Diagramas de equilíbrio binário 8.3 - Diagramas de equilíbrio ternário 9 – Diagrama de Ellingham

2 TMA 00b Material Didático Livro Texto Principal

3 TMA 00c Material Didático Textos específicos em – Termodinâmica em materiais MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and Materials Science ; Departments of chemical engineering and materials science and engineering. GASKELL, David R.; Introduction to metallurgical thermodynamics. Mc Graw-hill book company. New York, 1981, 610p. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. Físico-Química, Uma aplicação aos materiais. Rio de Janeiro, 2002, 606p.

4 TMA 00d Material Didático Textos em Termodinâmica química ou Físico-Química ATKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de Janeiro, 1999, 251. SMITH, J.M.; Introdução à termodinâmica da Engenharia Química. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000, 697 Textos – Diagramas de equilíbrio SEGADÃES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria e aplicação em cerâmica. Editora Edgard blucher LTDA. São Paulo, 1987, 184p. BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibria in ceramics. The American Ceramic Society Inc., Columbus, Ohio, 1984,156p.

5 TMA Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade
01 Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade Estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz. Atualmente espectro bastante abrangente como ciência da ENERGIA relações entre as PROPRIEDADES da matéria. Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança Britânicos inventam ovo cozido "auto-cronometrado"

6 O que é termodinâmica? TMA
02 O que é termodinâmica? A Termodinâmica está associada ao estudo de formas de energia e como esta pode ser convertida em outras formas de energia e trabalho. Termodinâmica clássica: Tem seus conceitos focalizados na análise de propriedades macroscópicas do sistema e o estudo da relação entre estas propriedades. Baseia-se no estudo de fenômenos e na determinação empírica das relações de interesse. – SISTEMA TRATADO COMO CONTÍNUO A termodinâmica clássica fornece as ferramentas físicas e matemáticas para determinar como as propriedades de um material serão alteradas em função de alterações do sistema.

7 O que é termodinâmica? TMA Termodinâmica estatística:
02 O que é termodinâmica? Termodinâmica estatística: Utiliza como ferramenta a descrição estatística do comportamento do sistema a parir do comportamento de cada átomo do sistema, individualmente. A termodinâmica estatística parte do princípio que conhecendo o comportamento do material a nível microscópico é possível prever suas propriedades macroscópicas.

8 O que é termodinâmica? TMA
03 O que é termodinâmica? Termodinâmica clássica X Termodinâmica estatística Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas.

9 Termodinâmica – Energia - Materiais
TMA 04 Termodinâmica – Energia - Materiais Comprimento de ligação F r E o Energia de ligação Energia (E) r Comprimento de ligação Energia de Ligação

10 TMA 05

11 Termodinâmica – Energia - Materiais
TMA 06 Termodinâmica – Energia - Materiais Formação de defeitos

12 Termodinâmica – Temperatura - Materiais
TMA 07 Termodinâmica – Temperatura - Materiais Transformação de fase Diagrama de Equilíbrio Transformação austenitaFCC para Ferrrita BCC Carbono é muito menos soluvel na ferrita Carbono sai da solução sólida para formar cementita Fe3C

13 Termodinâmica – Temperatura - Materiais
TMA 08 Termodinâmica – Temperatura - Materiais Diagrama de Equlíbrio

14 TMA 09 SHS

15 A QUÍMICA QUE ESTRUTURA AS BOLHAS DO CHAMPANHE
TMA 10 Cientistas estudam as efervescentes cócegas no nariz provocadas pelas emanações aromáticas, característica excitante e inconfundível do seu encanto A QUÍMICA QUE ESTRUTURA AS BOLHAS DO CHAMPANHE

16 equilíbrio termodinâmico
TMA 11 No CHAMPANHE e nas cervejas, o dióxido de carbono ( CO2 ) é o principal responsável pela formação de bolhas, originadas quando o levedo fermenta os açúcares, convertendo-os em moléculas de álcool e CO2. A carbonatação industrial é a fonte da fermentação nas bebidas gasosas. Após o engarrafamento, estabelece-se um equilíbrio, de acordo com a lei de Henry, entre o CO2 dissolvido no líquido e o gás que está no espaço sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a quantidade de gás dissolvida em um fluido é proporcional à pressão do gás com o qual está em equilíbrio. Quando o recipiente é aberto, a pressão do CO2 gasoso sobre o líquido cai abruptamente, rompendo o equilíbrio termodinâmico até então prevalecente. Como resultado, o líquido é supersaturado com moléculas de CO2. lei de Henry Equilíbrio equilíbrio termodinâmico

17 estabilidade termodinâmica
TMA 12 Para recuperar uma estabilidade termodinâmica correspondente à pressão atmosférica, as moléculas de CO2 devem abandonar o fluido supersaturado. Quando a bebida é vertida em um copo, dois mecanismos permitem que o CO2 dissolvido escape: a difusão do líquido através da superfície livre e a formação de bolhas. Mas, para que se agrupem em bolhas embrionárias, as moléculas dissolvidas de dióxido de carbono são forçadas a abrir caminho através das moléculas líquidas agregadas, que estão fortemente ligadas pelas forças de van der Waals (atração bipolar). Assim, a formação de bolhas é limitada por esta barreira de energia; para superá-la são necessárias taxas de supersaturação mais elevadas que as de bebidas carbonatadas. estabilidade termodinâmica barreira de energia;

18 barreira de nucleação de energia curvatura interface
TMA 13 Em líquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe, vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formação de bolhas , exige cavidades de gás preexistentes com raios de curvatura extensa o suficiente para superar a barreira de nucleação de energia e desenvolver-se livremente. Isto se dá porque a curvatura da interface da bolha acarreta um excesso de pressão no interior da bolsa de gás que é inversamente proporcional ao seu raio (de acordo com a lei de Laplace) .Quanto menor a bolha, maior o excesso raios de curvatura barreira de nucleação de energia curvatura interface

19 Resumo de termodinâmica
TMA 14 Resumo de termodinâmica As leis da termodinâmica: Fornecem as regras básicas que governam as relações entre variáveis de um sistema. De uma forma geral, são as restrições que a natureza impõe ao processo de transformação de energia. Definições termodinâmicas: São definidos parâmetros como capacidade calorífica, compressibilidade, coeficiente de expansão térmica, entalpia, energia livre de Helmoltz e energia livre de Gibbs. Variáveis termodinâmicas: O estado de um sistema é definido em função dos valores de algumas propriedades, ou variáveis do sistema. As diferentes variáveis que podem ser usadas para descrever este estado incluem energia, entropia, composição química, temperatura, pressão e volume. As definições podem estar associadas a propriedades dos materiais que podem ser determinadas experimentalmente ou a termos associados a energia. Variáveis do sistema - Definir os valores destas propriedades é a forma de descrever um sistema e o seu estado.

20 TMA 15

21 Resumo de termodinâmica
TMA 16 Resumo de termodinâmica Funções de estado: Está associado com variáveis onde o processo depende apenas das condições iniciais e finais, e independe da história do sistema. Relações matemáticas: Existem quatro relações que podem ser determinadas a partir de funções de estado. Estas relações são denominadas por relações de Maxwell. Condições de equilíbrio: Um sistema está em equilíbrio quando todas as suas propriedades são independentes do tempo e são função apenas de suas variáveis de estado. Deve-se tomar cuidado com esta definição já que em algumas situações a variação de uma propriedade com o tempo é muito lenta, podendo ser confundido com uma condição de equilíbrio.

22 Definições - Sistema TMA FRONTEIRA VIZINHANÇA SISTEMA Sistema :
17 Definições - Sistema Sistema : Refere-se à região macroscópica do universo definida e selecionada para análise. Pode ser de qualquer tamanho, podendo até ser considerado todo o universo como um sistema. FRONTEIRA VIZINHANÇA SISTEMA Quando se estuda com os olhos da termodinâmica clássica deve-se definir um sistema grande o suficiente para que detalhes estruturais do material possam ser ignorados. Quando se define um sistema, automaticamente são definidas as fronteiras entre o sistema e o resto do universo definindo-se assim as vizinhanças.

23 Definições – Tipos de Sistemas
TMA 18 Definições – Tipos de Sistemas Aberto : É aquele em que existe troca de energia e troca de massa entre sistema e vizinhança Fechado: É aquele em que existe troca de energia mas não existe troca de massa. Isolado: Sistemas onde não ocorre troca de material ou energia. Silício dopado com boro é um sistema binário. Água com sál é um sistema composto constituído por água, ions Na e ions Cl. Sistema homogêneo – água/ Sistema Heterogêneo agual liquida/gelo A queima de petróleo é um sistema reativo, enquanto a fervura de água é um sistema não reativo.

24 Definições – Tipos de Sistemas
TMA 18 Definições – Tipos de Sistemas Sistemas puros ou compostos: Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância. Esta substância pode ser um elemento atômico (Silício) ou uma molécula (água pura). Multicomponentes apresentam várias substâncias. Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias fases. Reativo ou não reativo: sistemas reativos envolvem a formação ou dissociação de ligações químicas. Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é influenciado por energias diferentes da energia mecânica, química ou térmica. Silício dopado com boro é um sistema binário. Água com sál é um sistema composto constituído por água, ions Na e ions Cl. Sistema homogêneo – água/ Sistema Heterogêneo agual liquida/gelo A queima de petróleo é um sistema reativo, enquanto a fervura de água é um sistema não reativo.

25 Definições - Sistema TMA FRONTEIRA VIZINHANÇA SISTEMA Sistema : 19
SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE Quando se estuda com os olhos da termodinâmica clássica deve-se definir um sistema grande o suficiente para que detalhes estruturais do material possam ser ignorados. Quando se define um sistema, automaticamente são definidas as fronteiras entre o sistema e o resto do universo definindo-se assim as vizinhanças.

26 Definições – Função de estado
TMA 20 Definições – Função de estado Funções de estado: São variáveis ou propriedades de um sistema que são independentes da história do sistema, dependendo apenas do estado inicial e final do sistema. As funções de estado não dependem do processo pelo qual o sistema foi levado a este estado. EXEMPLO - Temperatura Algumas funções de estado são temperatura, pressão, volume, energia, etc. Existem infinitos caminhos para levar um sistema da temperatura TA para a temperatura TB - Para definir a temperatura do sistema no ponto B não é necessário especificar a forma como se chegou lá. Para calcular a variação da temperatura ao passar do estado A para o estado B precisamos saber apenas a diferença de temperatura nos dois estados citados. Assim: delta T = Tfinal – T inicial

27 Definições – Função de estado
TMA 21 Definições – Função de estado (outra definição) Características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo. Algumas funções de estado são temperatura, pressão, volume, energia, etc. Existem infinitos caminhos para levar um sistema da temperatura TA para a temperatura TB - Para definir a temperatura do sistema no ponto B não é necessário especificar a forma como se chegou lá. Para calcular a variação da temperatura ao passar do estado A para o estado B precisamos saber apenas a diferença de temperatura nos dois estados citados. Assim: delta T = Tfinal – T inicial

28 Definições – Estado TMA
22 Definições – Estado Condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto. PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades. ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o tempo. CICLO TERMODINÂMICO: Seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência. Algumas funções de estado são temperatura, pressão, volume, energia, etc. Existem infinitos caminhos para levar um sistema da temperatura TA para a temperatura TB - Para definir a temperatura do sistema no ponto B não é necessário especificar a forma como se chegou lá. Para calcular a variação da temperatura ao passar do estado A para o estado B precisamos saber apenas a diferença de temperatura nos dois estados citados. Assim: delta T = Tfinal – T inicial

29 Definições – Variável de sistema
TMA 23 Definições – Variável de sistema Variáveis do sistema: Ao contrário das funções de estado, as variáveis do sistema são definidas apenas quando o processo que foi seguido para ir do estado A ao estado B é conhecido. Assim, a variável de processo é a variável que não é definida para estados de um sistema e tem sentido apenas quando se fala no movimento de um estado para outro. EXEMPLO - calor (Q) e o trabalho (W). Q1 W1 Q2 W2 Q3 W3

30 Definições – Propriedade intensiva x extensiva
TMA 24 Definições – Propriedade intensiva x extensiva Propriedades intensivas: são aquelas que não dependem do tamanho do sistema e podem ser especificadas para qualquer ponto do sistema. Não são aditivas Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema. Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento. Exemplo: temperatura e pressão. Propriedades extensivas: são aquelas que não podem ser especificadas para um ponto particular e dependem do tamanho do sistema. Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido. Dependem do tamanho e extensão do sistema. Seus valores podem variar com o tempo. Exemplo: massa, energia, volume. As variáveis, ou propriedades, podem ser intensivas ou extensivas, dependendo da sua relação com a massa do sistema. EXEMPLO: Temperatura é uma variável intensiva, já que não depende do tamano do sistema. Se pegamos dois copos com 200 ml de água a 50 ºC em cada, ao mistura-los teremos 400 ml de água a 50 ºC. Propriedades intensivas não são aditivas. EXEMPLO: Volume é uma variável extensiva. Não faz sentido perguntar qual o volume do material no ponto A, quando A é um ponto no espaço. Se eu misturo dois copos de água com 200 ml cada, teremos um volume igual a 400 ml. Assim, propriedades extensivas são aditivas. Outra propriedade extensiva é a massa. Uma variável extensiva pode tornar-se intensiva ao ser normalizada pelo tamanho do sistema.

31 TMA 25 Quantidade Quantidade molar (Xm)- Propriedade extensiva (X) de uma substância dividido pela quantidade de matéria presente (n) EXEMPLO: volume molar, massa molar Quantidade parcial molar (Xi)- Propriedade extensiva (X) de um sistema composto, em função da variação da quantidade de uma substância A presente. EXEMPLO: O volume parcial molar de uma substância A em uma mistura é a variação do volume da mistura provocada pela variação da quantidade do componente A (vA)

32 Fase e Substância Pura TMA FASE
26 Fase e Substância Pura FASE Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física. Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa. Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor. Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma única fase. SUBSTÂNCIA PURA É invariável em composição química e é uniforme. Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.

33 Método para resolver um problema
TMA 27 Método para resolver um problema Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são: 1 - Definição do sistema; 2 - Identificação das interações relevantes com a vizinhança. 3 - Estabelecer: O que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras; O que é procurado: resumir o que é procurado; 4 - Esquema e dados: Definir o sistema; identificar a fronteira; Anotar dados e informações relevantes; Hipóteses; Análise: feita sobre as equações (conservação da massa, conservação da energia, segunda lei da termodinâmica); Comentários: interpretar.

34 Unidades TMA Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m
28 Unidades Tabela 1.1. Comparação SI e Sistema Inglês Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m Massa: 1 lbm = 0, kg Força : F= ma N = 1 (kg) x 1 (m/s2) lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2) lbf = 4, N Tabela 1.4. SI Unidades - Prefixos

35 TMA 29 Unidades Tabela 1.5. Fatores de Conversão entre unidades SI e do Sistema Inglês