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PMT2305 – FÍSICO-QUÍMICA PARA
METALURGIA E MATERIAIS I
PMT 2305- Físico-Química para Metalurgia e Materiais I - Neusa Alonso-Falleiros 1
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PMT 2305
Físico-Química para Metalurgia e Materiais I
INTRODUÇÃO
• Físico-Química
– Estado final dos sistemas: equilíbrio; rendimento
• TERMODINÂMICA: 1a. e 2a. Leis
– Velocidade das reações: mecanismos
• CINÉTICA: Equação de Arrhenius; Leis de Fick
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Definições • Sistema: conjunto de componentes, ou porção do universo que se deseja
analisar sob as leis da termodinâmica
– Abertos, Fechados , Isolados
• Meio Externo; Universo
• Fronteira
– Adiabática; Diatérmica
• Estado Termodinâmico ou Estado
– Função Termodinâmica; Função de Estado ou Propriedade
• Termodinâmica: Clássica; Estatística
• Transformação: é a mudança de estado
– Processo: estados percorridos pela transformação
• Equilíbrio: espontaneamente, o sistema não altera esse estado
Leitura recomendada:
1. CAVALLANTE, F. L.; LÚCIO. A. Físico-Química Metalúrgica - ABM, São Paulo, 1984 (5°.
impressão ou outras disponíveis).
2. ALONSO-FALLEIROS, N. Apostila para a disciplina PMT2305 (em pdf no COL).
3. GASKELL, D. R. Introduction to Metallurgical Thermodynamics, McGraw-Hill Kogakusha,
LTD. Tokyo. Copyright 1973. Chapter One – “Introduction and Definition of Terms”.
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Propriedade Fundamental das Funções Termodinâmicas
• V: para a mesma transformação a variação de volume independe
do processo utilizado.
– V : função
– estados inicial e final: pontos
– variação: 2
1dVV 12 VV
Independente do
caminho de
integração, a
variação vale:
–A função V tem diferencial exata: dV
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Propriedade Fundamental
das Funções Termodinâmicas
Ref.: Gaskell, p.2.
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• Propriedades das diferenciais exatas
0df
12
2
1ffdf
dyy
fdx
x
fdf
xy
Em análises termodinâmicas
correntemente é necessário o
conhecimento do valor da
variação da função com a
transformação; o processo
geralmente não é conhecido e, não
é necessário conhecê-lo para a
análise termodinâmica.
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Princípio Zero
Estabelece critério objetivo para medição da T
SA ; SB ; SC
SA SB SC , então: SA SC
PA, VA SB
PA', VA' SB
PA'', VA'' SB
PA''', VA''' SB
Então existe:
f (PA, VA ) = cte
Para gases ideais:
PV = cte = RT
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Princípio Zero
Estabelece critério objetivo para medição da T
SA ; SB ; SC
SA SB SC , então: SA SC
PA, VA SB
PA', VA' SB
PA'', VA'' SB
PA''', VA''' SB
Existem pares PA, VA que mantém o sistema
A em equilíbrio com o sistema B.
Isso significa que há uma propriedade do
sistema A, que é igual a do sistema B, e que
se mantem constante para esses pares de
pontos PA, VA.
Essa propriedade é chamada de
TEMPERATURA do sistema.
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Volume de A
Pre
ssão d
e A
A função f chama-se isoterma,
seu valor constante para cada ponto (PA, VA), chama-se temperatura,
e o sistema SB , chama-se termômetro.
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Primeira Lei: trabalho e calor
• Trabalho
- trabalho de expansão/compressão
w = PdV
- trabalho de criar superfície
w = dA
- trabalho elétrico
w = qdE
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Primeira Lei: trabalho e calor
• Trabalho
- trabalho de expansão/compressão
w = PdV
Figura baseada em: DeHOFF, R. T. Thermodynamics in Materials Science,
McGraw-Hill, New York, 1993. Figure 3.3, p.28.
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Fdx)Ax(dA
FPdVw
O trabalho de Expansão/Compressão,
bem como as outras formas de
trabalho, são combinações da
expressão fundamental:
Fdxw
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Fdx).x(dF
dAw
:erfíciesupcriarparaTrabalho
ll
• Trabalho
- trabalho de expansão/compressão
w = PdV
- trabalho de criar superfície
w = dA
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Tensão Superficial
Os sistemas condensados (sólidos e líquidos) tendem a assumir
formas que minimizam a área superficial, maximizando, assim,
o número de moléculas que se encontram em seu volume e
dessa forma permanecem ligadas a outras moléculas.
A forma volumétrica de menor razão superfície/volume é a
esfera, por isso, sistemas líquidos tendem a formar gotas.
No entanto, outras forças presentes competem com a tendência
de assumir essa forma ideal, por exemplo, a força da gravidade
pode achatar os líquidos, formando filmes e poças.
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A energia de ligação entre as moléculas do líquido, a
aplicação de forças – gravidade – originam a Energia de
Superfície.
A Energia de Superfície pode ser discutida em termos de
∆AV,T e ∆GP,T (energias livres de Helmholtz e Gibbs –
assunto que será apresentado nesta disciplina).
Particularmente, a ∆AV,T vale o trabalho realizado pelo
sistema, quando ocorre uma variação de área de superfície.
Assim, a Energia de Superfície pode ser estudada através
do trabalho necessário para alterar a área em certa
quantidade.
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O trabalho (W) necessário para alterar a área em certa
quantidade é proporcional à variação da área de superfície
(∆S).
A constante de proporcionalidade é a Tensão Superficial: .
Assim tem-se que o trabalho para variar o tamanho da
superfície vale:
dAw
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Como trabalho sempre é função do produto entre força
aplicada e distância, resulta que a tensão superficial vale:
l
F
lll
F
dx.
Fdx
).dx(
Fdx
dA
Fdx
dAFdxw
:ou
Obs:
[] = [energia]/[área] = J.m-2 ou N.m-1, já que 1J = 1N.m
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Trabalho Elétrico:
w = qdE
q : (não confundir com a função calor) é a quantidade de carga transportada através de
um campo elétrico .
F : força atuante sobre a carga; vale: F = q.
: campo elétrico, dado pela ddp dE por distância percorrida dx: = dE/dx.
dx.FwdE.
dx
dE
Fw
dx
dE,e
Fq,mas
dE.qw
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Convenções:
• w realizado pelo sistema: negativo
• q fornecido pelo sistema ao meio externo (exotérmico): negativo
• w recebido pelo sistema: positivo
• q recebido pelo sistema (endotérmico): positivo
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Experiências de Joule e Primeira Lei
H2O
Adiabático
T1 T2
H2O
Diatérmico
T1 T2
Troca calor com ME
Q 0 Q = 0
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Esquema dos resultados das experiências de Joule e a relação da
Primeira Lei.
Estados Adiabático Diatérmico
W + Q Processo Inicial Final W Q W Q
T1 T2
T1 T2
T1 T2
elétrico
mecânico
expansão
0
0
0
T3 T4
T3 T4
T3 T4
elétrico
mecânico
expansão
0
0
0
elétrico
mecânico
expansão
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Primeira Lei
• Sistema Adiabático: U = Ufin - Uin = W
Aqui, todo o W é transformado em U; como U é função termodinâmica e os estados inicial e final são os mesmos, U é constante (não depende do processo), e implica W também constante (mas, trabalho depende do processo).
• Sistema Diatérmico U = W + Q
• Forma diferencial
dU = w + q
Palavras-chave:
• Termodinâmica
• Sistema; Fronteira; Meio Externo; Universo
• Função Termodinâmica (propriedade fundamental)
• Diferencial Exata
• Princípio Zero
• Trabalho e Calor
• Primeira Lei ou Primeiro Princípio
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