Baixe 10. Calor latente de vaporização (92) e outras Provas em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I CALOR LATENTE DE VAPORIZAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA Toledo, PR Junho, 2013 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I Débora Begnini Paula Nogueira Rose Schneider Vicky Cerioli CALOR LATENTE DE VAPORIZAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA Relatório acadêmico apresentado como método de avaliação parcial da disciplina de Laboratório de Engenharia Química I do curso de Engenharia Química da instituição de ensino UNIOESTE - Universidade Estadual do Oeste do Paraná. Profo Caroline Bertagnolli Toledo, PR Junho 2013 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Superfície p-v-T de uma substância pura. Fonte: Hyperphysics. ...... 10 Figura 2. Diagrama de fases para uma substância pura. FONTE: SMITH et al., 2000. ................................................................................................................ 11 Figura 3. Módulo experimental ......................................................................... 16 Figura 4. ln(Psat) em função de 1/T. .................................................................. 18 Figura 5. Pressão de saturação em função da temperatura ............................ 23 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Dados experimentais da diferença de altura do manômetro e temperatura. ..................................................................................................... 17 Tabela 2. Pressão manométrica, pressão de saturação e parâmetros ln(Psat) e 1/T. ................................................................................................................... 18 Tabela 3. Desvios relativos referentes à literatura ........................................... 19 Tabela 4. Desvios relativos às entalpias de vaporização ................................. 24 NOMENCLATURA Letra/significado/unidade A, B, C: Constantes de Antoine (Adimensional) a, b : Constantes de Peng-Robinson (Adimensional) GL: Energia Livre de Gibbs na fase líquida (kJ/kg) Gv: Energia Livre de Gibbs na fase vapor (kJ/kg) ΔH: Diferença de altura do líquido (cm) ΔHvap: Calor Latente de vaporização (kJ/kg) Pc: Pressão de vapor saturado (kPa) R: Constante universal dos gases (J/gmol.K) Psat: Pressão de vapor saturado (kPa) SL: Entropia na fase líquida (kJ/kg) SV: Entropia na fase vapor (kJ/kg) ΔSvap: Entropia de vaporização (kJ/kg) Tc: Temperatura Crítica (ºC) Tr: Temperatura reduzida (ºC) T: Temperatura do sistema (ºC,K) VV: Volume específico da fase vapor (cm³/g) VL: Volume específico da fase líquida (cm³/g) ΔVvap: Variação do volume durante a mudança de fase vapor líquido (cm³/g) Figura 1. Superfície p-v-T de uma substância pura. Fonte: Hyperphysics. Se a superfície P-v-T é projetada sobre um plano pressão-temperatura, um diagrama de propriedades conhecido como diagrama de fases é obtido. Quando projetada desta forma, as regiões bifásicas se reduzem a linhas, 1-2, 2-3 e 2-C, como se pode observar na Figura 2. Um ponto em qualquer destas linhas representa todas as misturas bifásicas na temperatura e na pressão especificadas. Figura 2. Diagrama de fases para uma substância pura. FONTE: SMITH et al., 2000. Observando a Figura 2, é possível perceber que se pode traçar um processo da região de líquido para a de gás sem cortar a fronteira bifásica (2- C), o que corresponde à curva A-B, manipulando-se a pressão e temperatura. A região existente com temperaturas e pressões superiores a Tc e Pc encontra-se delimitada por linhas tracejadas na Figura 2; essas linhas não representam transições de fases, sendo limites fixados pelos significados aceitos das palavras líquido e gás. Uma fase é geralmente considerada um líquido se ela puder ser vaporizada pela redução da pressão a uma temperatura constante. Uma fase é considerada um gás se ela puder ser condensada pela redução da temperatura a uma pressão constante. Como nenhum desses processos pode ser iniciado na região além das linhas tracejadas, ela é chamada região do fluido (SMITH et al, 2000). 2.3. Calor Latente de vaporização de Substâncias Puras Quando uma substância pura é liquefeita a partir do estado sólido ou vaporizada a partir do líquido a pressão constante, não ocorre variação de temperatura; contudo, o processo requer a transferência de certa quantidade finita de calor para a substância. Esses efeitos térmicos são chamados de calor latente de fusão e calor latente de vaporização.(SMITH et al., 2000) Em todos os processos deste tipo observa-se a coexistência de duas fases, e o estado do sistema está determinado pela especificação de apenas uma coordenada intensiva. Assim, o calor latente correspondente a uma mudança de fase é uma função somente da temperatura, e relaciona-se às outras propriedades do sistema por uma equação termodinâmica exata (equação de Clapeyron). Considerando que se tenha um líquido puro em equilíbrio com o seu vapor a uma temperatura T e pressão de vapor Psat, quando causada a vaporização de uma quantidade infinitesimal do líquido, a T e P constantes, o número de mols n é constante (dG=0), para isto é preciso que a energia Livre de Gibbs molar (ou específica) do vapor seja idêntica à do líquido, pois essa é a grandeza termodinâmica empregada para representar o equilíbrio de fases. Generalizando, para duas fases L e V de uma espécie pura coexistindo em equilíbrio, tem-se: (01) Se a temperatura em um sistema bifásico for alterada, então a pressão também terá de variar de acordo com a relação entre a pressão de vapor e a temperatura, se as duas fases continuarem a coexistir em equilíbrio. Nessa situação, a equação (01) mantém-se válida da seguinte maneira: (02) Em um sistema bifásico (L+V) para uma substância pura em equilíbrio tem-se que (SMITH et al, 2000): (03) 3. METODOLOGIA 3.1. Materiais Os materiais utilizados neste experimento foram:  Acetona P.A. (300 mL);  Balão de três bocas;  Manômetro de mercúrio;  Banhos termostáticos;  Bomba de vácuo;  Termômetro digital;  Proveta, rolhas, algodão, régua, papel, serpentina de cobre e mangueira de borracha e silicone. 3.2. Métodos Neste experimento, no balão de três bocas foram adicionados 300 ml de acetona, medidos na proveta e colocados no banho termostático aquecido e mantido na temperatura de 70oC. Uma das bocas do balão estava conectada ao manômetro de mercúrio em U, a outra tinha acoplado o termômetro digital e a última estava conectada a uma serpentina de cobre. Está serpentina de cobre estava imersa no outro banho termostático resfriado e mantido na temperatura de 0oC. Na serpentina a acetona era condensada e levada até o kitassato que continha chumaços de algodão e estava conectado na bomba de vácuo. A pressão da bomba de vácuo era negativa e estava sendo variada a cada medida. O módulo foi montado de acordo com o esquema da Figura 3. Figura 3. Módulo experimental Os procedimentos foram os seguintes:  Regular a pressão na Bomba de vácuo, e regular as temperaturas dos banhos termostáticos, 70oC e 0oC.  Calibrar o manômetro, abre-se todas as válvulas (V1,V2 e V3), e quando ambos os lados do manômetro estão no mesmo nível as válvulas são fechadas.  Acompanhar a variação da temperatura do termômetro contido na boca do balão, quando a temperatura se tornar constante.  Abrir a válvula (V1) e anotar a leitura do manômetro, utilizando uma folha de papel e a régua.  Repetir os passos de 1 a 4 para 7 medidas de pressão e temperatura. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Durante o procedimento a pressão da bomba de vácuo foi variada sete vezes, com o objetivo de se obter as variações de temperatura e pressão correspondentes. Os dados coletados são apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Dados experimentais da diferença de altura do manômetro e temperatura. Medida ΔH (cm) Temperatura (oC) 1 22,00 39,4 2 21,40 35,4 3 18,10 41,1 4 14,25 42,2 5 12,20 44,9 6 9,10 46,3 7 5,90 49,2 Para o cálculo da pressão manométrica utilizou-se a equação (15), a equação fundamental da estática, sendo a densidade do mercúrio 13600 kg/m³ (Perry, R. H; 1980) e a aceleração gravitacional 9,81 m/s². A pressão de saturação é a diferença entre a pressão manométrica e a pressão atmosférica (101325 Pa). As pressões manométrica, de saturação e os parâmetros ln(Psat) e 1/T para a regressão linear são apresentados na Tabela 2. HgP  .. (15) Também é possível observar que os desvios (para valores de A e B) apresentados pelo SOLVER são maiores do que os desvios apresentados pelo método gráfico. 4.1 Cálculo da entalpia de vaporização Calculando-se a entalpia de vaporização experimental através da equação de Classius Clapeyron, tem-se que: A partir da linearização feita anteriormente, onde y = ln(Psat) e x = 1/T: Pela linearização da reta, y = A - B.x: Chega-se, então, a: Isolando Hvap e substituindo os valores R = 8,314 m³.Pa/mol.K e B = 2018: Hvap = 16777,65 J/mol Calculando a entalpia de vaporização pela equação de Clapeyron, sendo: Onde ΔVlv = Vvapor - Vlíquido e Vlíquido pode ser calculado através da equação: Assim, temos também que: KTc 1,508 24494,0ZRA MPaPc 7,4 TcTTr / Considerando T a temperatura média do sistema, que é 315,79 K, temos Tr = 0,62. Substituindo, temos que Vlíquido = 0,00007577 m³/mol. Utilizando a equação cúbica de estado de Peng-Robinson: Onde, Utilizando w = 0,309; chamado de fator acêntrico e associado a esfericidade do campo de força das moléculas, temos: 74,1a 000899,0b 408,1 8770,0k Sendo Z = P.V/R.T, e considerando a acetona um gás ideal (Z=1), tem- se um valor inicial para V a partir de: P RT V .  Utilizando a temperatura média T = 315,79 K, R = 8,314m³.Pa/mol.K e a pressão média de 81703,32 Pa, tem-se: V = 0,03213 m³/mol Utilizando a equação cúbica de estado de Peng-Robinson e o valor de V=0,03213 m³/mol como valor inicial, e fazendo uso do Método de Newton- Rapshon, chega-se a Vv=0,03217 m³/mol Com os valores de volume líquido (Vl = 0,00007577 m³/mol) e volume de vapor (Vv = 0,03217 m³/mol), é possível calcular a variação de volume: ΔVlv = Vv - Vl ΔVlv = (0,03217 – 0,00007577) m³/mol= 0,03209 m³/mol Como é perceptível, o valor do volume do líquido é bem menor que o valor do volume do vapor, sendo assim, seria perfeitamente aceitável a consideração que a variação de ambos os volumes é igual ao volume do vapor. 5. CONCLUSÃO Observando os resultados obtidos na prática, com a diferença de altura do manômetro, a temperatura e a pressão da bomba de vácuo, foi possível a construção de uma regressão linear para a equação de Antoine, quando o parâmetro C é nulo (equação de Wrede). Para a determinação da constante C, utilizou-se uma regressão não-linear a partir do SOLVER e as constantes encontradas se distanciaram dos valores da literatura, especialmente no caso a constante A. Notou-se, a partir dos desvios, que quando a constante C é nula, as demais se aproximam melhor dos valores tabelados. Comparando as entalpias encontradas através das equações de Clapeyron e Classius-Clapeyron, observa-se que os valores são bem próximos, porém distantes do valor apresentado na literatura. De um modo geral, os resultados foram satisfatórios, pois houve uma proximidade entre os valores experimentais, porém todos se distanciaram de seus respectivos valores teóricos. Isso indica que os erros experimentais influenciaram de forma notável nos resultados finais. REFERÊNCIAS Himmelblau, David M., Principios básicos y cálculos en ingeniería química, Sexta edição - Pearson Educación, México, 2002. Smith, J. M.; Van Ness, H. C.; Abbott, M. M; Introdução a termodinâmica da Engenharia Química, Editora LTC – Rio de Janeiro, 2000. Oliveira, Mario José de; Termodinâmica, Editora da Física- São Paulo 2005. Van Wylen, Godon; Sonntag, Richard; Borgnakke, Clauss “Fundamentos da Termodinamica” volume complementar,7 Edição. Editora Edgard Blucher Ltda- São Paulo 2009. VEIT, M.T.. Apostila dos roteiros da disciplina de laboratório de engenharia química I. Toledo, 2010.