Curva De Vaporização De Uma Substância Pura

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA ENG030 – LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II

RELATÓRIO DE ATIVIDADES DE AULA PRÁTICA Prática P4 – Determinação da Curva de Vaporização de uma substância pura Alunos:

Ana Caroline Teixeira Trindade

Data de realização da Antonio José Ferreira Couto Neto atividade: Data de recebimento Gabriel Sahade do relatório: Leila Vianna Chaoui Silva

05/05/2009

Miwa Santana Takeda

é a mais adequada para o uso 1.

INTRODUÇÃO

O atual relatório apresenta um breve desenvolvimento sobre Curvas de Vaporização de substâncias puras seguido de uma discussão específica para esse tipo de diagrama, teórico e experimental, para a acetona. As atividades experimentais foram realizadas pelo grupo G6 no LABORATÓRIO DO ARMENGUE – BATCAVERNA, sob a supervisão do Professor Raul San Martin. Apresenta-se em sete tópicos: introdução, objetivos, fundamentação teórica, materiais e métodos, resultados, conclusão e referências. 2. OBJETIVO Levantar a curva de pressão de vapor de uma substância pura. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A natureza é regida por um conjunto de equilíbrios que impedem variações bruscas no seu comportamento. Segundo Van Ness, Smith, Abbott, “equilíbrio é uma condição estática na qual não ocorrem variações das propriedades macroscópicas de um sistema com o tempo.(...)No entanto, no nível microscópico, as condições não são estáticas.” Um exemplo de equilíbrio a ser citado é o caso de um sistema isolado contendo fases líquida e vapor em contato direto, no qual após certo tempo entra em equilíbrio e não mais se terá variações na composição de ambas as fases, muito menos da pressão e da temperatura. Nesse mesmo sistema, contendo as fases fluidas de uma substância pura, a pressão que o vapor em equilíbrio com a fase líquida exerce sobre a mesma, para uma determinada temperatura, é chamada pressão de vapor. Aumentando-se a temperatura desse sistema até que seja alcançado o seu ponto de ebulição, ter-se-á um aumento da energia cinética das moléculas da fase líquida, sendo que aquelas próximas a interface

superam as forças superficiais e formam a primeira bolha do vapor. Nesse momento, líquido e vapor são ditos estarem saturados, e a pressão de vapor do sistema é dita pressão de saturação. Várias equações tentam prever qual a pressão de saturação de uma determinada substância pura em uma dada temperatura. Várias equações já foram escritas, entre elas, estão a de Clapeyron, a de Wagner e a de Antoine, que geral. lnPsat=A-BT-C Equação 1 As constantes A, B e C são únicas para cada substância e para uma dada faixa de temperatura. Para a acetona, essas constantes são A=14.3145, B=2756.22 e C=228,060. Sendo T em °C e P em kPa. Mudanças de fase de substâncias puras são freqüentemente representados por diagramas PVT, os quais apresentam de modo tridimensional, variações de pressão, volume e temperatura que acarretam a mudança do estado de agregação das moléculas. Na figura 1, está representado um diagrama PVT genérico, em que se especificam as regiões de diferentes fases, sólido, líquido e vapor. Essa figura mostra uma superfície do diagrama PVT. Como pode ser visto, tal diagrama não é de tão fácil visualização das transformações entre as fases e dos estados termodinâmicos.

Figura 1. Diagrama PVT de uma substância pura

Para facilitar a análise da mudança de fase de uma substância pura, trataremos apenas dos diagramas bidimensionais, Pressão versus Temperatura e Pressão versus Volume. 3.1- Diagrama P versus T Na figura 2 abaixo, está representado, de modo genérico, o diagrama de Pressão versus Temperatura. É possível observar nessa figura a presença de três regiões, umas para cada estado físico da matéria. Entre essas regiões, há curvas dadas por A-T, T-B e T-C, as quais representam as condições de temperatura e pressão em que duas fases coexistem em equilíbrio, sendo sólido e vapor para A-T, sólido e líquido para T-B e líquido e vapor para T-C. As curvas A-T e T-C são as curvas de pressão de vapor vs. Temperatura, onde se caracterizam relações de equilíbrio entre as fases já citadas. Podemos assim chamar essas curvas:

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A-T: Curva de Sublimação; T-B: Curva de fusão; T-C: Curva de Vaporização.

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Figura 2. Diagrama P versus T

Na figura 2, o ponto T, ponto de intersecção das três curvas, representa o Ponto Triplo. Para essa condição única de pressão e temperatura, é possível se ter as três fases de uma dada espécie química coexistindo em equilíbrio. Mudanças de fases podem ser obtidas a partir de compressões ou expansões isotérmicas (representadas por linhas verticais) ou ainda por resfriamento ou aquecimento isobáricos (representados por linhas horizontais). Por exemplo, a partir de qualquer ponto na região do sólido, diminuindo a pressão isotermicamente cruza-se a curva de sublimação A-T e o sólido transcende até a região do vapor. Ou ainda, um líquido pode ser resfriado isobaricamente, cruzando a curva de fusão T-B e passando a fase sólida. Em algumas situações a Região do Gás pode apresentar uma região específica chamada Região do Vapor. Ela se encontra a esquerda da isoterma Tc, e representa um gás que pode ser comprimido isotermicamente ou resfriado isobaricamente para passar por uma transformação de fase. Um fluido a uma temperatura acima da crítica é dito estar supercrítico. Ainda no gráfico acima, estão sinalizadas as coordenadas Pc (Pressão Crítica) e Tc (Temperatura Crítica) que marcam o ponto C, o Ponto Crítico. Nesse ponto têm-se as máximas pressão e temperatura nas quais é possível se ter um equilíbrio LÍQUIDO/VAPOR de uma substância pura. Coordenadas maiores Pc e Tc se encontram na chamada Região de Fluido, demarcada pelas linhas tracejadas. Essa região não pode ser dita nem região do Líquido nem região do Gás. Por definição, a região do fluido é a zona em que se torna impossível se iniciar uma compressão isotérmica de um líquido para formar vapor e de iniciar um resfriamento isobárico de um gás para condensá-lo. Numa transformação que sai do ponto 1 até o ponto 2, tem-se que o líquido já numa pressão acima da crítica é aquecido até a região de fluido, a partir da qual se diminui a

pressão e a temperatura até chegar ao ponto 2 na fase vapor. Nessa transformação, a transição de líquido para o gás é gradativa e sem uma etapa de vaporização propriamente dita. 3.2- Diagrama P versus V No diagrama Pressão versus Volume molar ou específico, mostrado na figura 3, é agora analisado a variação do volume de uma substância pura quando submetidas a variações de pressão e/ou temperatura ou transição de fases. Fazendo uma análise comparativa com o diagrama da figura 1 se torna notável chamar a atenção para: Enquanto no diagrama P versus T existe curvas (fronteiras) que representam o equilíbrio entre duas fases, no diagrama P versus V essas curvas se tornam regiões. Essas regiões são delimitadas por curvas que representam fases únicas; 2. O ponto triplo marcado pelo ponto T na figura 2, no diagrama abaixo passa a ser uma reta horizontal representada por T-T’, sobre a qual é possível ter as três fases em equilíbrio, porém as mesma é conferida para uma única temperatura; 3. A temperatura não fica de fora de estudo nesse diagrama. Ela é representada pelas isotermas, as quais em P versus T seriam representadas por linhas verticais. A isoterma que passa pelo ponto crítico é a de temperatura igual a critica, sendo que temperaturas maiores que Tc são mostradas como isotermas acima da isoterma Tc e vice-versa; 4. O ponto C também representa o ponto crítico. A região para pressões acima da crítica e isotermas acima de Tc é a região de Fluido. A região do vapor se encontra nas mesmas especificações esclarecidas para a figura 2, abaixo de Tc. 1.

Figura 3. Diagrama P versus T

Analisando com maior especificidade as regiões do líquido, do equilíbrio líquido/vapor e do vapor do diagrama acima, ressalta-se a curva ACB quase parabólica. O segmento AC representa líquido em uma fase única em suas temperaturas de vaporização. Já no segmento CB se tem vapor numa fase também única em suas temperaturas de condensação. Dessa forma, líquidos e vapores sobre a curva ACB estão

saturados, e a pressão para esse comportamento é chamada pressão de saturação. Logo, a curva ACB é a curva de pressão de saturação vs. volume (molar ou específico). Ainda nessas três regiões, observam-se os três trechos pelos quais as isotermas subcríticas T1 e T2 passam. O trecho horizontal representa todas as misturas possíveis de líquido e vapor em equilíbrio para cada temperatura, sendo que o limite esquerdo, intersecção com a curva A-C, significa líquido puro, enquanto que o limite direito, intersecção com a curva C-B, vapor puro. O trecho a esquerda do líquido saturado A-C, é a região de líquido sub-resfriado, que existe sob temperaturas abaixo do ponto de ebulição, e a esquerda do vapor saturado C-B é a região de vapor superaquecido, que existe para temperaturas acima da de ebulição para uma dada pressão. Os líquidos subresfriados variam pouco seu volume com a pressão. O oposto ocorre com os vapores superaquecidos. 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1- Materiais 1. Balão de destilação 2. Condensadores 3. Vaso de acúmulo do condensado da fase vapor 4. Ponto de amostragem do condensado da fase vapor 5. Entrada para termômetro (vedação com teflon) 6. Ponto de amostragem da fase líquida 7. Termômetro 8. Agitador com placa de aquecimento 9. Água de resfriamento da camisa dos condensadores 10.Gargalo do balão de destilação 11.Tubo de conexão com sistema de pressão vácuo

Figura 4. Diagrama esquemático do Ebuliômetro de Othmer

4.2- Métodos No experimento foram obtidos dados do equilíbrio líquido-vapor da acetona pura a partir do esquema parecido com o demonstrado acima, na figura 4. Para evitar perdas de calor, o balão de destilação foi parcialmente embrulhado com material isolante e a entrada do termômetro foi vedada com teflon. O processo de determinação dos pontos de equilíbrio é bem simples. O balão foi aquecido e então o vapor de acetona formado circulou pelos tubos até que alcançassem os condensadores. Quando se formou a primeira gota de líquido, alcançou-se, como esperado, a estabilização da temperatura e esperou-se certo tempo, aproximadamente 15 minutos, para consolidar a estabilização. A temperatura oscilava pouco nesse período. No entanto, ainda na primeira medida de temperatura, percebeu-se que havia duas bolhas de ar no capilar do termômetro. Ainda assim o experimento prosseguiu, mas com problemas nas medições. Como solução, o experimento foi realizado em conjunto com o grupo G5. O tubo de conexão 11 da figura 4 estava conectado a uma bomba de vácuo, que por estar com os manômetros quebrados, estava por sua vez conectada a um tubo em U contendo glicerol para medição da pressão barométrica a partir da equação abaixo: PBar=ρgΔH

Equação 2

E assim a pressão absoluta é dada pela soma da pressão obtida pela equação acima e a pressão atmosférica no local, www.geotecnia.ufba.br. Para esse experimento teve duas fontes de erros de valia para se ressaltar. A primeira era a corrente de ar frio que passava pelo balão, vinda do teto do laboratório. Tal provocava oscilações maiores nos pontos de equilíbrio. A outra é a ausência de termômetro para medição da temperatura da fase vapor, para um simples efeito de comparação com a temperatura da fase líquida. Devido ao pouco tempo que sobrou para a realização da prática, não se aguardou um tempo ótimo para o medição da temperatura. 5. RESULTADOS Nesta seção devem ser descritos os resultados de medições e cálculos, nesta ordem, a menos que a intercalação de resultados de medidas e cálculos contribua para uma melhor compreensão do trabalho realizado. Também deve ser feita a análise dos resultados, considerando o objetivo da prática realizada, das dificuldades encontradas, dos erros eventualmente ocorridos. Figuras e tabelas devem ser mencionadas no texto antes de aparecerem. Rótulos e títulos de tabelas são apresentados no alto das mesmas. Já no caso de figuras, esses dados são indicados abaixo delas. Em gráficos, dados experimentais são pontos e dados calculados são apresentados como linhas. 6. CONCLUSÃO Formalmente, esta seção fecha o documento. Depois dela vêm apenas a relação da bibliografia referenciada e anexos. Então, a conclusão começa de forma semelhante à introdução. Por exemplo “Neste relatório foram descritos...”. Continua com um resumo (um parágrafo) sobre o objetivo e a metodologia empregada e termina com a apresentação resumida das principais conclusões (a análise dos resultados é que deve conter a discussão que leva às conclusões), que podem ser indicadas na forma de itens.

7. REFERÊNCIAS Lista da bibliografia consultada e citada no texto, organizada segundo o formato escolhido para a citação. ANEXO Anexos devem ser utilizados para tirar do texto informações que é interessante que se conheça mas que não são relevantes para o que está sendo tratado em cada seção. Por exemplo, se for feita uma dedução de um modelo matemático, ou resolução de uma equação diferencial, o resultado, que é o que importa, pode ser indicado diretamente e discutido no corpo do relatório, e uma apresentação da dedução pode ser acrescentada na forma de um anexo. Outro tipo de material que é sério candidato para aparecer em anexos é o resultado de grandes conjuntos de medições, que podem ser apresentados como tabelas. No corpo do anexo pode-se seguir uma estrutura como a do texto do relatório, ou, por exemplo, no caso das tabelas, apenas fazer uma introdução explicando o conteúdo do anexo.