Propriedades dos Líquidos e Sólidos

Propriedades dos Líquidos e Sólidos

(Parte 1 de 3)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AGROALIMENTAR

UNIDADE ACADÊMICA DE TECNOLOGIA AGROALIMENTAR

PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS

LEIDIANA XAVIER

RITA MARIA DA COSTA

SABRINA FONTES

POMBAL – PB

2009

SUMÁRIO

1. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS.....................

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2. LÍQUIDOS................................................................................

06

3. SÓLIDOS.................................................................................

07

4. REGRA DE TROUTON............................................................

08

5. LEIS DE NEWTON...................................................................

09

5.1 Primeira Lei de Newton........................................................

09

5.2 Segunda Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Dinâmica.....................................................................................

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5.3 Terceira Lei de Newton........................................................

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6. LEI DE HOOKE........................................................................

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7.CARACTERISTICAS DA PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS..................................................................................

13

7.1. Teoria do Estado Líquido...................................................

13

7.2. Viscosidade.........................................................................

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7.3 Tensão Superficial...............................................................

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7.4. Dilatação Térmica................................................................

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7.5. Ponto de Fusão, Ponto de Ebulição e Ponto de Sublimação.................................................................................

17

7.6. Pressão de Vapor................................................................

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7.7. Elasticidade e Viscosidade................................................

19

7.8. Forças Intermoleculares.....................................................

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7.9. Reologia...............................................................................

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8. CONCLUSÃO..........................................................................

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9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................

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INTRODUÇÃO

Este trabalho teve como motivação inicial a busca do significado e características das propriedades dos líquidos e sólidos em meio a físico-química.

Sabemos que num sistema em equilíbrio é possível existir mais de uma fase simultaneamente. Na fusão do gelo existe a fase sólida da água juntamente com a fase líquida. Na vaporização têm-se as fases líquido e vapor.

Vale então, a regra geral de que se as várias fases estão em equilíbrio, o potencial químico é o mesmo.

Existe uma grande variedade de forças de interação, e que a caracterização de tais forças é, via de regra, um trabalho de caráter puramente experimental. Assim, entra em vigor a Lei de Hooke.

Entre as forças de interação que figuram mais frequentemente nos processos que se desenvolvem ao nosso redor figuram as chamadas forças elásticas, isto é, forças que são exercidas por sistemas elásticos quando sofrem deformações.

As moléculas que formam as substâncias se atraem reciprocamente sob a ação de forças de intensidade variável. Em certas condições físicas, tais forças impedem o livre deslocamento das moléculas e o corpo por elas constituído atinge o estado sólido. Se, no entanto, o deslocamento ocorre, a matéria atinge um estado de transição entre o sólido e o gasoso chamado líquido, que é o padrão intermediário entre os estados de agregação da matéria.

A natureza de um sólido depende do tipo de forças que mantém os átomos, íons ou moléculas juntos. A maioria das coisas que nos rodeia são sólidas, a exemplo de roupas, móveis, veículos, entre outros. Mesmo com os microscópios mais potentes, não podemos ver os átomos individuais que compõem a superfície de um sólido.

Enfim, este trabalho descreve resumidamente as propriedades dos líquidos e sólidos.

OBJETIVO

O trabalho visa analisar o aparecimento das fases condensadas da matéria (líquidos e sólidos), via o conceito das distintas forças intermoleculares.

Terá como principal objetivo a descrição de suas propriedades introduzindo os parâmetros físico-químicos de pressão de vapor, tensão superficial e viscosidade, via os fundamentos de forças intermoleculares.

Serão vistas também as principais características envolvidas neste assunto, tais como: pontos de fusão, ebulição e sublimação, suas respectivas propriedades reológicas e as leis de Newton, Hooke e regra de Trouton.

1. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS

A variação da temperatura da matéria ocasiona os fenômenos conhecidos como mudanças nos estados de agregação.

Os fenômenos relacionados ao estado líquido são: fusão (passagem de sólido a líquido), solidificação (processo inverso), vaporização (passagem do estado líquido ao gasoso) por ebulição ou evaporação e condensação (passagem do estado gasoso a líquido).

O ponto de fusão, ou seja, temperatura em que ocorre a passagem de sólido a líquido, é um valor específico e constante para cada substância, embora variável em função da pressão externa.

Segue abaixo as transições de fases:

Sólido  Líquido (fusão, solidificação);

Líquido  Vapor (vaporização, condensação);

Sólido  Vapor (sublimação).

Genericamente as fases sólidas e líquidas são chamadas de fases condensadas. Este nome decorre do fato de ambas terem alta densidade relativa quando comparada com a fase gasosa. A razão entre ambas as densidades líquido-vapor é da ordem de 1000:1. Depende das condições de pressão e temperatura.

Nos gases, a energia potencial (capacidade de realizar um trabalho mecânico em decorrência da posição e massa de um corpo) é desprezível, pois as moléculas estão distribuídas ao acaso, enquanto os sólidos têm energia potencial porque seus átomos formam uma rede tridimensional ordenada.

Os líquidos não apresentam a regularidade dos sólidos nem a desordem molecular dos gases, mas suas moléculas sofrem forças de atração e repulsão de moderada intensidade. Graças à energia cinética (energia produzida pelo movimento), cada uma de suas moléculas se movimenta de maneira relativamente independente das outras. Assim, os líquidos tomam a forma do recipiente que os contém, embora, em virtude da tensão superficial, tendam à esfericidade e formem gotas quando seu volume é muito reduzido.

A relação entre sólidos e líquidos foi descoberta no século III a.C. por Arquimedes. Constatando, ao tomar banho, que se sentia mais leve dentro d’água, ele formulou o conceito de empuxo, isto é, força vertical de baixo para cima que o líquido exerce sobre o corpo nele imerso. A intensidade dessa força equivale ao peso do fluido deslocado.

O empuxo se expressa pela seguinte fórmula:

E = d x V x g

Onde “d” é a densidade do líquido, “V” é o volume imerso do corpo e “g” a aceleração da gravidade.

Diz-se que um líquido molha a parede de um recipiente que o contém quando sua superfície forma com ela um ângulo inferior a 90º e fica mais alto junto à parede do que no centro da superfície livre. Num recipiente molhado pelo líquido, este sobe espontaneamente na parede porque as forças que agem entre as moléculas do líquido e as da parede são superiores às forças intermoleculares do líquido. Os líquidos que não molham formam com a parede um ângulo de contato maior que 90º, razão pela qual ficam em nível mais baixo junto da parede do que no centro da superfície livre. Nesse caso, as forças de atração entre as moléculas são maiores que as existentes entre o líquido e a parede.

2. LÍQUIDOS

A estrutura e propriedades dos líquidos são em grande parte determinadas pelas forças intermoleculares. Algumas das propriedades importantes dos líquidos são a sua tensão superficial, viscosidade e pressão de vapor.

Líquido é um fluido que sofre a ação de forças de coesão pouco intensas e se adapta ao recipiente que o contém, embora não possa expandir-se indefinidamente. Em condições normais, o sólido transforma-se em líquido quando absorve calor até atingir o ponto de fusão. A densidade do líquido é em geral pouco menor que a do sólido e a fusão se dá, normalmente, com aumento de volume. Existem, no entanto, substâncias como o gelo e alguns compostos de gálio, germânio, silício e bismuto que se contraem no processo de fusão.

A figura seguinte mostra a variação da pressão de vapor de vários líquidos com a temperatura.

Figura 1. Pressão de vapor e temperaturas de ebulição normais para vários líquidos.

3. SÓLIDOS

Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas ou íons, os sólidos podem ser classificados em cristalinos e amorfos.

Os cristalinos são compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em três dimensões. As posições ocupadas seguem uma ordenação que se repete para grandes distâncias atômicas (de longo alcance). Porção homogênea de matéria com estrutura atômica ordenada e definida e com forma externa limitada por superfícies planas e uniformes, simetricamente dispostas. Os cristais formam-se quando um líquido torna-se lentamente um sólido. Esta formação pode resultar do congelamento do depósito de matéria dissolvida ou da condensação direta de um gás em um sólido. O estudo do crescimento, forma e geometria dos cristais chama-se cristalografia. Existem seis sistemas cristalinos, caracterizados pelo comprimento e posição de seus eixos (linhas imaginárias que passam pelo centro do cristal e interceptam as faces, definindo relações de simetria no cristal). Os minerais de cada sistema dividem algumas características de simetria e forma cristalina, assim como muitas propriedades ópticas importantes.

Os amorfos são compostos por átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance. Podem apresentar ordenação de curto alcance.

Figura 5. Estrutura da água no estado sólido.

Os sólidos podem ser de vários tipos. Os metálicos são cátions mantidos unidos por um mar de elétrons, os iônicos são construídos pela atração mútua de cátions e íons, os sólidos reticulares são átomos ligados covalentemente, os sólidos moleculares são moléculas mantidas por forças intermoleculares e os cristais são átomos empilhados em arranjos regulares (padrão característico do elemento).

O arranjo dos átomos íons e moléculas dentro de um cristal é chamado de difração de raio X.

4. REGRAS DE TROUTON

A regra de Trouton é uma regra que envolve a vaporização de substâncias apolares. Ela afirma que para estas substâncias a entalpia molar de vaporização dividida pela temperatura de ebulição tem um valor entre 75-80 J/mol °K. Como esta razão é a entropia de ebulição, a regra de Trouton pode ser escrita como:

Onde R é a constante dos gases ideais. A regra de Trouton não se aplica a líquidos polares. Ela é uma regra que facilita na destilação multicomponente, pois estabelece que a condensação de um mol de vapor acarretará na vaporização de um mol de líquido.

Com base nesta regra, as vazões molares do líquido e do vapor não se alteram ao longo da coluna simplificando o balanço global da mesma. Isso só é verdadeiro se todos os componentes da mistura são apolares. Também é obvio que as vazões mássicas variam ao longo da coluna e a regra de Trouton não se aplica ao balanço ponderal, apenas ao balanço molar.

No caso de colunas que processam misturas contendo componentes polares, a regra de Trouton não se aplica e as vazões molares do líquido e do vapor variam ao longo da coluna. O que se faz neste caso, é iniciar o cálculo como se tratasse de componentes apolares e corrigir as vazões usando a equação de balanço energético que inclui as entalpias dos componentes.

5. LEIS DE NEWTON

5.1. Primeira Lei de Newton

Um corpo que está em movimento, tende a continuar em seu estado de movimento em linha reta e velocidade constante. E um corpo que está em repouso tende a continuar em repouso. Primeira Lei de Newton ou Princípio da Inércia A partir das idéias de inércia de Galileu, Isaac Newton enunciou sua Primeira Lei com as palavras:

"Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas a ele".

A primeira lei de Newton pode parecer perda de tempo, uma vez que esse enunciado pode ser deduzido da Segunda Lei:

F = m x a

Se F=0, existe duas opções: ou a massa do corpo é zero ou sua aceleração. Obviamente como o corpo existe, ele tem massa, logo sua aceleração é que é zero, e conseqüentemente, sua velocidade é constante. No entanto, o verdadeiro potencial da primeira lei aparece no quando se envolve o problema dos referenciais. Numa reformulação mais precisa:

"Se um corpo está em equilíbrio, isto é, a resultante das forças que agem sobre ele é nula, é possível encontrar ao menos um referencial, denominado inercial, para o qual esse corpo está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme"

Essa reformulação melhora muito a utilidade da primeira lei de Newton. Para exemplificar tomemos um carro. Enquanto o carro faz uma curva, os passageiros têm a impressão de estarem sendo "jogados" para fora da curva. É o que chamamos de força centrífuga. Se os passageiros possuírem algum conhecimento de Física tentarão explicar o fenômeno com uma força. No entanto, se pararem para refletir, verão que tal força é muito suspeita.

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