 |
| Thomas Andrews, físico e químico irlandês, conhecido pelos estudos com transições de fase. |
Dando uma continuidade ao post anterior, conceituamos as diferenças entre vapor e gás e de acordo com as propriedades dos gases e suas grandezas sabemos que é possível mudar o estado de agregação da matéria por aumento de pressão. Esses conceitos surgiram graças aos estudos realizados por volta de 1880, pelo químico irlandês Thomas Andrews (1813-1885) (não confundir com o seu filho Thomas Andrews Jr., um dos projetistas do Titanic) demonstrou a existência de uma temperatura crítica, característica de cada espécie de matéria, acima da qual é impossível fazê-la mudar do estado gasoso para o estado líquido apenas por aumento da pressão exercida sobre ela. Nessa situação, a única forma de promover a mudança de estado é diminuir a temperatura.
Essa temperatura crítica diferencia os conceitos de vapor e gás. A matéria está no estado vapor quando sua temperatura está abaixo da temperatura crítica. A matéria está no estado gasoso quando sua temperatura está acima da temperatura crítica.
Os estudos de Thomas Andrews
- Isotermas de Andrews
O que é uma isoterma?
O estado de um gás é caracterizado pelo valor de três grandezas físicas: a pressão (p) , o volume (V) e a temperatura (T). São as chamadas variáveis de estado. Frequentemente, a mudança de uma variável ocasiona modificação em pelo menos uma das outras. Dizemos então que o gás sofreu uma TRANSFORMAÇÃO. Condições isotermas são aquelas nas quais o gás não sofre mudança na variável temperatura (T).
1. Pressão máxima de vapor
Consideremos um cilindro, com um êmbolo móvel, contendo vapor de uma substância pura.
Mantendo constante a temperatura do cilindro, vamos variar o seu volume.
A partir do estado inicial, figura 1a, diminuindo o volume do cilindro, a pressão sobre o vapor aumenta, até que ele comece a se transformar em líquido (condensar). Quando as primeiras camadas de líquido se formam, figura 1b, a diminuição de volume acelera a condensação, e a pressão se mantém constante no interior do cilindro até que todo o vapor se transforme em líquido. Na figura 1c, todo vapor se transformou em líquido e uma pequena diminuição no volume do líquido é conseguida apenas com grande aumento na pressão.
Na figura 1a, temos o vapor seco, ou seja, sem presença do líquido; na figura 1b, temos o vapor saturado, ou seja, na presença do seu líquido. A temperatura do cilindro permaneceu constante durante todo o processo, mas a pressão do vapor aumentou até o início da condensação e, a partir daí, permaneceu constante, até o término da condensação. A pressão constante em que ocorre a condensação é chamada de pressão máxima de vapor e representa-se por F. A pressão que o vapor seco exerce é dita simplesmente pressão do vapor e representa-se por f.
Graficamente essa experiência é descrita pelo gráfico abaixo: em 1a, diminuindo o volume do recipiente a pressão aumenta, na fase de vapor; em 1b, diminuindo-se o volume do recipiente, a pressão deixa de aumentar, permanecendo constante no valor F e o vapor se condensa; na fase 1c, com o vapor tendo passado inteiramente para a fase líquida, temos um forte aumento de pressão para uma pequena redução de volume. Todo o processo ocorre com a temperatura constante.
2. Isotermas de Andrews
O físico e químico inglês Thomas Andrews apresentou o comportamento descrito na experiência anterior em um diagrama p x V, estabelecendo a pressão máxima de vapor para uma substância pura e sua respectiva temperatura. Essa curva no diagrama p x V ficou conhecida como isoterma de Andrews. Na figura abaixo, estão representadas algumas isotermas que mostram o comportamento da pressão máxima de vapor de uma substância em diversas temperaturas.
Consideremos um cilindro, com um êmbolo móvel, contendo vapor de uma substância pura.
Mantendo constante a temperatura do cilindro, vamos variar o seu volume.
A partir do estado inicial, figura 1a, diminuindo o volume do cilindro, a pressão sobre o vapor aumenta, até que ele comece a se transformar em líquido (condensar). Quando as primeiras camadas de líquido se formam, figura 1b, a diminuição de volume acelera a condensação, e a pressão se mantém constante no interior do cilindro até que todo o vapor se transforme em líquido. Na figura 1c, todo vapor se transformou em líquido e uma pequena diminuição no volume do líquido é conseguida apenas com grande aumento na pressão.
Na figura 1a, temos o vapor seco, ou seja, sem presença do líquido; na figura 1b, temos o vapor saturado, ou seja, na presença do seu líquido. A temperatura do cilindro permaneceu constante durante todo o processo, mas a pressão do vapor aumentou até o início da condensação e, a partir daí, permaneceu constante, até o término da condensação. A pressão constante em que ocorre a condensação é chamada de pressão máxima de vapor e representa-se por F. A pressão que o vapor seco exerce é dita simplesmente pressão do vapor e representa-se por f.
Graficamente essa experiência é descrita pelo gráfico abaixo: em 1a, diminuindo o volume do recipiente a pressão aumenta, na fase de vapor; em 1b, diminuindo-se o volume do recipiente, a pressão deixa de aumentar, permanecendo constante no valor F e o vapor se condensa; na fase 1c, com o vapor tendo passado inteiramente para a fase líquida, temos um forte aumento de pressão para uma pequena redução de volume. Todo o processo ocorre com a temperatura constante.
2. Isotermas de Andrews
O físico e químico inglês Thomas Andrews apresentou o comportamento descrito na experiência anterior em um diagrama p x V, estabelecendo a pressão máxima de vapor para uma substância pura e sua respectiva temperatura. Essa curva no diagrama p x V ficou conhecida como isoterma de Andrews. Na figura abaixo, estão representadas algumas isotermas que mostram o comportamento da pressão máxima de vapor de uma substância em diversas temperaturas.
O ponto C é o ponto crítico, e a isoterma que passa por ele, é chamada isoterma crítica e corresponde à maior pressão máxima de vapor em que pode ocorrer a condensação. Nele, todo o vapor se transforma em líquido instantaneamente e, acima dele, a substância é um gás e não pode se condensar.
Podemos concluir pelas isotermas de Andrews que:
O maior valor possível para a pressão máxima de vapor de uma substância é denominado pressão crítica e corresponde à temperaturra crítica. Se a substância sofrer uma compressão isotérmica, acima da temperatura crítica, verifica-se que ela não sofre mais a condensação e é chamada de gás.
A tabela a seguir mostra pares de valores da pressão crítica (pc) e da temperatura crítica (Tc) de algumas substâncias.
Agora vamos entender melhor a representação gráfica do conceito. O que acontece quando aquecemos isometricamente uma mistura de líquido e vapor contida no interior de um recipiente ?
Consideremos 3 tubos fechados contendo um líquido na presença de seu vapor saturante.
Os tubos estão à mesma temperatura.
No tubo 3 o volume ocupado pelo líquido é maior que o ocupado pelo vapor.
No tubo 2 os volumes ocupado pelo líquido e pelo vapor são sensivelmente iguais.
No tubo 1 o volume ocupado pelo líquido é menor que o ocupado pelo vapor.
Os pontos que representam a situação de cada tubo pertencem ao patamar de uma isoterma.
O tubo 1 onde o volume de líquido é menor que o de vapor corresponde ao ponto 1 mais próximo do início da condensação.
O tubo 3 onde o volume de líquido é maior que o de vapor corresponde ao ponto 3 mais próximo do término da condensação.
O tubo 2 onde o volume de líquido é aproximadamente igual ao do vapor corresponde ao ponto 2 de volume igual ao do ponto crítico.
A figura abaixo mostra as posições dos pontos. O aquecimento isométrico é representado por uma linha reta perpendicular ao eixo dos volumes.
Aquecimento isométrico do tubo 1.
O ponto representativo do estado aproxima-se do ramo direito da curva de saturação indicando que o volume de líquido diminui até que em A1 todo o líquido passa para o estado gasoso.
Durante o aquecimento o nível do líquido baixa até se anular em A1
Aquecimento isométrico do tubo 3
O ponto representativo do estado aproxima-se do ramo esquerdo da curva de saturação indicando que o volume de líquido aumenta até que em B3 todo o vapor passa para o estado líquido.
Durante o aquecimento o nível do líquido sobe até que atinge o topo do tubo em B3.
Aquecimento isométrico do tubo 2
O ponto representativo do estado é mantido aproximadamente equidistante dos ramos esquerdo e direito da curva de saturação indicando que a relação entre os volumes de líquido e vapor permanece constante, até que no ponto crítico todo o conteúdo do tubo passa para o estado gasoso.
Durante o aquecimento o nível do líquido permanece constante. O contraste na superfície que separa o líquido do vapor torna-se cada vez mais tênue até que no ponto crítico ele desaparece e todo o conteúdo torna-se gasoso.
Nenhum comentário:
Postar um comentário