objectivos de aprendizagem
no final desta secção, será capaz de:
- interpretar um diagrama de fase.Lei Estadual de Dalton.identificar e descrever o ponto triplo de um gás a partir do seu diagrama de fases.descreve o estado de equilíbrio entre um líquido e um gás, um líquido e um sólido, e um gás e um sólido.
até agora, temos considerado o comportamento dos gases ideais. Os gases reais são como os gases ideais a altas temperaturas. A temperaturas mais baixas, no entanto, as interações entre as moléculas e seus volumes não podem ser ignoradas. As moléculas são muito próximas (a condensação ocorre) e há uma diminuição dramática no volume, como visto na Figura 1. A substância muda de um gás para um líquido. Quando um líquido é arrefecido a temperaturas ainda mais baixas, torna-se sólido. O volume nunca alcança zero por causa do volume finito das moléculas.
Figura 1. Um esboço de volume versus temperatura para um gás real a pressão constante. A parte linear (reta) do grafo representa o comportamento do gás ideal—o volume e a temperatura são direta e positivamente relacionados e a linha extrapola para o volume zero a -273.15 ºC, ou zero absoluto. Quando o gás se torna um líquido, no entanto, o volume realmente diminui precipitadamente no ponto de liquefação. O volume diminui ligeiramente uma vez que a substância é sólida, mas nunca se torna zero.
a alta pressão pode também provocar uma mudança de fase do gás para um líquido. O dióxido de carbono, por exemplo, é um gás à temperatura ambiente e pressão atmosférica, mas torna-se um líquido sob pressão suficientemente alta. Se a pressão for reduzida, a temperatura cai e o dióxido de carbono líquido solidifica-se numa substância semelhante à neve à temperatura –78ºC. O CO2 sólido é chamado de ” gelo seco. Outro exemplo de um gás que pode estar em uma fase líquida é o nitrogênio líquido (LN2). O LN2 é produzido pela liquefacção do ar atmosférico (por compressão e arrefecimento). Ferve a 77 K (- 196ºC) à pressão atmosférica. O LN2 é útil como refrigerante e permite a preservação de sangue, esperma e outros materiais biológicos. Ele também é usado para reduzir o ruído em sensores e equipamentos eletrônicos, e para ajudar a resfriar seus fios de transporte de corrente. Em dermatologia, LN2 é usado para congelar e remover indolor verrugas e outros crescimentos da pele.
diagramas PV
podemos examinar aspectos do comportamento de uma substância traçando um gráfico de pressão versus volume, chamado de diagrama PV. Quando a substância se comporta como um gás ideal, a lei do gás ideal descreve a relação entre a pressão e o volume. Isto é, PV = NKT (gás ideal).
agora, assumindo que o número de moléculas e a temperatura são fixas, PV = constante (gás ideal, temperatura constante).por exemplo, o volume do gás diminuirá à medida que a pressão aumenta. Se você traçar a relação PV = constante em um diagrama PV, você encontra uma hipérbole. A figura 2 mostra um gráfico de pressão versus volume. As hipérbolas representam o comportamento do gás ideal em várias temperaturas fixas, e são chamadas de isotérmicas. A temperaturas mais baixas, as curvas começam a parecer menos hiperbolas—o gás não está se comportando idealmente e pode até conter líquido. Há um ponto crítico—ou seja, uma temperatura crítica—acima da qual o líquido não pode existir. A uma pressão suficientemente alta acima do ponto crítico, o gás terá a densidade de um líquido, mas não se condensará. O dióxido de carbono, por exemplo, não pode ser liquefeito a uma temperatura superior a 31,0 ºC. Pressão crítica é a pressão mínima necessária para que o líquido exista à temperatura crítica. O quadro 1 apresenta as temperaturas e pressões críticas representativas.
Figura 2. Diagramas fotovoltaicos. a) cada curva (isotérmico) representa a relação entre P E V a uma temperatura fixa; as curvas superiores encontram-se a temperaturas mais elevadas. As curvas mais baixas não são hiperbolas, porque o gás já não é um gás ideal. (B) uma porção expandida do diagrama para baixas temperaturas, onde a fase pode mudar de um gás para um líquido. O termo “vapor” refere-se à fase gasosa quando ela existe a uma temperatura abaixo da temperatura de ebulição.
| Tabela 1. Temperaturas críticas e Pressões | ||||
|---|---|---|---|---|
| Substância | temperatura Crítica | pressão Crítica | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| Água | 647.4 | 374.3 | 22.12 × 106 | 219.0 |
| dióxido de Enxofre | 430.7 | 157.6 | tendo 7,88 × 106 | 78.0 |
| Amônia | 405.5 | 132.4 | 11.28 × 106 | 111.7 |
| Carbon dioxide | 304.2 | 31.1 | 7.39 × 106 | 73.2 |
| Oxygen | 154.8 | −118.4 | 5.08 × 106 | 50.3 |
| Nitrogen | 126.2 | −146.9 | 3.39 × 106 | 33.6 |
| Hydrogen | 33.3 | −239.9 | 1.30 × 106 | 12.9 |
| Helium | 5.3 | −267.9 | 0.229 × 106 | 2.27 |
Diagramas de Fase
As parcelas de pressão versus temperaturas de fornecer um conhecimento significativo propriedades térmicas das substâncias. Existem regiões bem definidas nestes gráficos que correspondem a várias fases da matéria, por isso os gráficos PT são chamados diagramas de fase. A figura 3 mostra o diagrama de fase da água. Usando o gráfico, se você sabe a pressão e a temperatura você pode determinar a fase da água. As linhas sólidas—limites entre fases-indicam temperaturas e pressões nas quais as fases coexistem (ou seja, elas existem juntas em proporções, dependendo da pressão e da temperatura). Por exemplo, o ponto de ebulição da água é de 100ºC a 1,00 atm. À medida que a pressão aumenta, a temperatura de ebulição sobe de forma constante para 374ºC a uma pressão de 218 atm. Uma panela de pressão (ou mesmo uma panela coberta) cozinhará a comida mais rápido porque a água pode existir como um líquido a temperaturas superiores a 100ºC sem ferver. A curva termina em um ponto chamado ponto crítico, porque a temperaturas mais altas a fase líquida não existe a qualquer pressão. O ponto crítico ocorre na temperatura crítica, como você pode ver para a água Da Tabela 1. A temperatura crítica para o oxigênio é de-118 ° C, então o oxigênio não pode ser liquefeito acima desta temperatura.
Figura 3. O diagrama de fase (gráfico PT) para a água. Note que os eixos não são lineares e o grafo não é para escalar. Este gráfico é simplificado – existem várias outras fases exóticas de gelo a pressões mais elevadas.da mesma forma, a curva entre as regiões sólidas e líquidas da Figura 3 dá a temperatura de fusão a várias pressões. Por exemplo, o ponto de fusão é 0ºC a 1,00 atm, como esperado. Note que, a uma temperatura fixa, você pode mudar a fase de sólido (gelo) para líquido (água) aumentando a pressão. O gelo derrete por pressão nas mãos de um fabricante de bolas de neve. A partir do diagrama de fase, podemos também dizer que a temperatura de fusão do gelo aumenta com o aumento da pressão. Quando um carro é conduzido sobre a neve, o aumento da pressão dos pneus derrete os flocos de neve; depois, a água refreia e forma uma camada de gelo.
a pressões suficientemente baixas não há fase líquida, mas a substância pode existir como gás ou sólido. Para a água, não há fase líquida a pressões abaixo de 0,00600 atm. A mudança de fase de sólido para gás é chamada de sublimação. É responsável por grandes perdas de neve que nunca chegam a um rio, pelo descongelamento automático rotineiro de um congelador e pelo processo de congelação aplicado a muitos alimentos. O dióxido de carbono, por outro lado, sublima-se à pressão atmosférica normal de 1 atm. (A forma sólida de CO2 é conhecida como gelo seco porque não derrete. Em vez disso, move-se directamente do sólido para o estado do gás.)
Todas as três curvas no diagrama de fase se encontram em um único ponto, o ponto triplo, onde todas as três fases existem em equilíbrio. Para a água, o ponto triplo ocorre a 273.16 K (0.É uma temperatura de calibração mais precisa do que o ponto de fusão da água a 1,00 atm, ou 273,15 K (0,0 ºC). Ver Quadro 2 para os valores do ponto triplo de outras substâncias.
as fases de equilíbrio
líquido e gás estão em equilíbrio à temperatura de ebulição. (Ver Figura 4. Se uma substância está num recipiente fechado no ponto de ebulição, então o líquido está a ferver e o gás está a condensar-se à mesma velocidade sem alteração líquida na sua quantidade relativa. Moléculas no líquido escapam como um gás na mesma velocidade em que as moléculas de gás se agarram ao líquido, ou formam gotículas e se tornam parte da fase líquida. A combinação de temperatura e pressão tem que ser “justa”; se a temperatura e pressão são aumentadas, o equilíbrio é mantido pelo mesmo aumento das taxas de ebulição e condensação.
Figura 4. Equilíbrio entre líquido e gás em dois pontos de ebulição diferentes dentro de um recipiente fechado. (a) the rates of boiling and condensation are equal at this combination of temperature and pressure, so the liquid and gas phases are in equilibrium. b) a uma temperatura mais elevada, a taxa de ebulição é mais rápida e as taxas a que as moléculas deixam o líquido e entram no gás também são mais rápidas. Porque há mais moléculas no gás, a pressão do gás é maior e a taxa a que as moléculas de gás condensam e entram no líquido é mais rápida. Como resultado, o gás e o líquido estão em equilíbrio a esta temperatura mais elevada.
| Tabela 2. Triple Point Temperatures and Pressures | ||||
|---|---|---|---|---|
| Substance | Temperature | Pressure | ||
| K | º C | Pa | atm | |
| Water | 273.16 | 0.01 | 6.10 × 102 | 0.00600 |
| Carbon dioxide | 216.55 | −56.60 | 5.16 × 105 | 5.11 |
| Sulfur dioxide | 197.68 | −75.47 | 1.67 × 103 | 0.0167 |
| Ammonia | 195.40 | −77.75 | 6.06 × 103 | 0.0600 |
| Nitrogen | 63.18 | −210.0 | 1.25 × 104 | 0.124 |
| Oxygen | 54.36 | −218.8 | 1.52 × 102 | 0.00151 |
| Hydrogen | 13.84 | −259.3 | 7.04 × 103 | 0.0697 |
One example of equilibrium between liquid and gas is that of water and steam at 100ºC and 1.00 atm. Esta temperatura é o ponto de ebulição a essa pressão, então eles devem existir em equilíbrio. Porque é que um pote aberto de água a 100ºC ferve completamente? O gás que rodeia um vaso aberto não é água pura: é misturado com ar. Se água pura e vapor estão em um recipiente fechado a 100ºC e 1.00 atm, eles coexistiriam—mas com o ar sobre o pote, há menos moléculas de água para condensar, e a água ferve. E água a 20,0 ºC e 1,00 atm? Esta temperatura e pressão correspondem à região líquida, mas um copo de água aberto a esta temperatura irá evaporar completamente. Novamente, o gás em torno dele é ar e não vapor de água puro, de modo que a taxa de evaporação reduzida é maior do que a taxa de condensação da água a partir do ar seco. Se o vidro for selado, então a fase líquida permanece. Chamamos a fase gasosa de vapor quando ela existe, como acontece com a água a 20,0 ºC, a uma temperatura abaixo da temperatura de ebulição.
Verifique a sua compreensão
explique por que razão um copo de água (ou soda) com cubos de gelo permanece a 0ºC, mesmo num dia quente de Verão.
solução
o gelo e a água líquida estão em equilíbrio térmico, de modo que a temperatura permanece à temperatura de congelação enquanto o gelo permanecer no líquido. (Uma vez que todo o gelo derrete, a temperatura da água começará a subir.)
pressão de Vapor, pressão parcial, e a Lei de Dalton
pressão de Vapor é definida como a pressão na qual um gás coexiste com a sua fase sólida ou líquida. A pressão de Vapor é criada por moléculas mais rápidas que se separam do líquido ou sólido e entram na fase gasosa. A pressão de vapor de uma substância depende tanto da substância quanto da sua temperatura – um aumento na temperatura aumenta a pressão de vapor.
pressão parcial é definida como a pressão que um gás criaria se ocupasse o volume total disponível. Em uma mistura de gases, a pressão total é a soma das pressões parciais dos gases componentes, assumindo o comportamento ideal dos gases e sem reações químicas entre os componentes. Esta lei é conhecida como Lei de Dalton de pressões parciais, depois do cientista inglês John Dalton (1766-1844), que a propôs. A lei de Dalton é baseada na teoria cinética, onde cada gás cria sua pressão por colisões moleculares, independente de outros gases presentes. É consistente com o fato de que as pressões aumentam de acordo com o princípio de Pascal. Assim, a água evapora e o gelo sublima quando suas pressões de vapor excedem a pressão parcial de vapor de água na mistura circundante de gases. Se suas pressões de vapor são menores que a pressão parcial de vapor de água no gás circundante, gotículas líquidas ou cristais de gelo (geada) se formam.a transferência de energia está envolvida numa mudança de fase? Em caso afirmativo, terá de ser fornecida energia para mudar a fase de sólido para líquido e líquido para gás? E gás para líquido E líquido para sólido? Porque pulverizam as laranjeiras com água na Florida, quando as temperaturas estão perto ou abaixo de zero?
solução
Sim, a transferência de energia está envolvida numa mudança de fase. Sabemos que átomos e moléculas em sólidos e líquidos estão ligados um ao outro porque sabemos que é necessária força para separá-los. Então, em uma mudança de fase de sólido para líquido E líquido para gás, uma força deve ser exercida, talvez por colisão, para separar átomos e moléculas. Força exercida através de uma distância é trabalho, e energia é necessária para fazer o trabalho para ir de sólido para líquido E líquido para gás. Isto é intuitivamente consistente com a necessidade de energia para derreter gelo ou ferver água. O inverso também é verdadeiro. Ir de gás para líquido ou líquido para sólido envolve átomos e moléculas que se juntam, fazendo trabalho e liberando energia.explorações de fetos: Estados da matéria-básico
calor, frio e comprimir átomos e moléculas e observar como eles mudam entre fases sólida, líquida e gás.
Clique para baixar a simulação. Executar usando Java.
Resumo da secção
- A maioria das substâncias tem três fases distintas: gás, líquido e sólido.as mudanças de fase entre as várias fases da matéria dependem da temperatura e da pressão.a existência das três fases em relação à pressão e à temperatura pode ser descrita num diagrama de fases.duas fases coexistem (ou seja, estão em equilíbrio térmico) em um conjunto de pressões e temperaturas. Estes são descritos como uma linha em um diagrama de fase.as três fases coexistem a uma única pressão e temperatura. Isto é conhecido como o ponto triplo e é descrito por um único ponto em um diagrama de fase.um gás a uma temperatura abaixo do seu ponto de ebulição é chamado de vapor.a pressão de Vapor é a pressão na qual um gás coexiste com sua fase sólida ou líquida.a pressão parcial é a pressão que um gás criaria se existisse sozinho.a lei de Dalton afirma que a pressão total é a soma das pressões parciais de todos os gases presentes.uma panela de pressão contém água e vapor em equilíbrio a uma pressão maior que a pressão atmosférica. Como é que esta maior pressão aumenta a velocidade de cozimento?por que a condensação se forma mais rapidamente no objeto mais frio de uma sala—por exemplo, em um copo de água gelada?Qual é a pressão de vapor do dióxido de carbono sólido (gelo seco) a -78,5 ºC?
Figura 5. O diagrama de fase para o dióxido de carbono. Os eixos não são lineares, e o grafo não é para escalar. O gelo seco é dióxido de carbono sólido e tem uma temperatura de sublimação de -78,5 ºC.o dióxido de carbono pode ser liquefeito à temperatura ambiente (20ºC)? Em caso afirmativo, como? Em caso negativo, por que não? (Ver Figura 5) o oxigénio não pode ser liquefeito à temperatura ambiente, colocando-o sob uma pressão suficientemente grande para forçar as suas moléculas a juntarem-se. Explica porque é que isto acontece.qual é a distinção entre gás e vapor?
Glossário
PV diagrama: um gráfico de pressão versus volume
ponto crítico: a temperatura acima da qual um líquido não pode existir
temperatura crítica: temperatura acima da qual um líquido não pode existir
crítica de pressão: a pressão mínima necessária para que um líquido existir temperatura crítica
de vapor: um gás a uma temperatura abaixo da temperatura de ebulição
pressão de vapor: pressão na qual o gás que coexiste com o seu sólido ou líquido de fase
diagrama de fase: um gráfico de pressão versus temperatura de uma determinada substância, mostrando em que as pressões e temperaturas, as três fases de uma substância ocorrer
ponto triplo: a pressão e a temperatura na qual uma substância que existe em equilíbrio como um sólido, líquido, gás e
a sublimação: a mudança de fase de sólido para gás
a pressão parcial: a pressão de um gás criaria se ocupado, o volume total de espaço disponível
a lei de Dalton das pressões parciais: a lei física que afirma que a pressão total dos gases é a soma das pressões parciais dos componentes de estufa