Termodinâmica das Substâncias Puras

Termodinâmica das substâncias puras

Denomina-se fase uma região homogênea que possui as mesmas propriedades físicas em todos os seus pontos e que é separada de outras regiões do sistema por meio de uma fronteira definida. Os sistemas na Termodinâmica podem abranger uma única substância pura ou então mais de uma substância pura. As misturas são sistemas que contêm mais de uma substância pura. As misturas costumam envolver diversas fases . As soluções são sistemas multicomponentes que em geral envolvem apenas uma fase. O número de componentes C de um sistema é definido como o número de espécies químicas independentes contidas no sistema suficientes para descrever a composição de um dado sistema. Em geral o número C é o número de substâncias puras contidas em uma dada mistura em que as fases não formam soluções, porém no caso das soluções o valor de C engloba não só as substâncias contidas como também outras espécies químicas (tais como os diversos íons presentes no caso de soluções iônicas).

A variância V ou número de graus de liberdade de um sistema em equilíbrio termodinâmico é o menor número de variáveis (tais como pressão, temperatura, etc.) necessárias para especificar completamente o equilíbrio termodinâmico de um sistema. Vamos designar o número de fases de um sistema pela letra F.

A regra das fases (deduzida por Gibbs) é dada por:

V= C – F + 2                                                                                                          (1.1)

Para exemplificar o uso da regra das fases, considere um recipiente contendo vapor de água (H20). Temos: C = 1, F = 1; logo, V = 2. Ou seja, precisamos de duas variáveis intensivas (a pressão e a temperatura) para especificar completamente o equilíbrio desse sistema. Considere agora um recipiente contendo gelo e água em equilíbrio termodinâmico. O número de componentes continua sendo C = 1 porque só existe substância pura presente (H2O). O número de fases é igual a dois. Logo, usando a regra das fases, obtemos: V = 1. Ou seja, precisamos de apenas uma variável intensiva (ou a pressão ou a temperatura) para especificar completamente o equilíbrio desse sistema. Conforme veremos mais adiante, usando a curva de equilíbrio entre a fase sólida e a fase líquida da água, basta especificar uma variável intensiva (por exemplo, a temperatura) para se obter o valor da outra variável intensiva (nesse exemplo, a pressão). Ou seja, no equilíbrio termodinâmico entre duas fases de uma substância pura, para cada pressão só existe uma única temperatura de equilíbrio entre as fases consideradas. Por exemplo, quando você diz que a temperatura de ebulição da água é igual a 100 graus centígrados, você sabe que isso só ocorre para uma pressão igual a uma atmosfera.

A investigação das propriedades das substâncias puras constitui parte importante das aplicações práticas da Termodinâmica. Distinguem-se, nesta análise, dois tipos de problemas: os que são pertinentes à substância pura quando ela está em uma só fase e os relativos ao equilíbrio de diversas fases da mesma substância. As propriedades termodinâmicas da substância pura em uma só fase centralizam-se nas determinações e estimativas das seguintes grandezas: coeficientes de expansão e compressibilidade; capacidades caloríficas, coeficiente Joule-Kelvin; relações entre P, V e T (equações de estado); propriedades da entalpia e da entropia; potencial químico; fugacidade; etc. Neste capítulo vamos investigar especialmente o equilíbrio entre as diversas fases de uma substância pura.

...