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Mudanças de Fase e de Refrigeração: |
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Autores: Rachel Casiday e Regina Frey |
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- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g., Refrigeradores)
- Fases da Matéria
- Sólida
- Líquido
- Gás
- Transições de Fase
- Fusão/ Congelamento
- Vaporização/ Condensação
- Sublimação/ Deposição
- Quebra ou Formação de Atrações Intermoleculares em Transições de Fase
- Mudança na Entalpia (ΔH) de Transições de Fase
- Ciclo de Refrigeração
Tutoriais Relacionados
- Faixas, Laços, e Doping: Como LEDs de Trabalho?, introdução: motores térmicos e refrigeração a refrigeração permitiu grandes avanços na nossa capacidade de armazenar alimentos e outras substâncias com segurança durante longos períodos de tempo. A mesma tecnologia utilizada para gerir frigoríficos é também utilizada em aparelhos de ar condicionado. Como esta tecnologia funciona para produzir ar fresco quando as condições externas estão quentes?, Como veremos, os frigoríficos (e os aparelhos de ar condicionado) dependem da aplicação termodinâmica conhecida como motor de calor, bem como das propriedades moleculares da substância contida nas bobinas do frigorífico. uma das aplicações práticas mais importantes dos princípios da termodinâmica é o motor térmico (Figura 1). No motor de calor, o calor é absorvido a partir de uma” substância de trabalho ” a alta temperatura e parcialmente convertido para o trabalho. Os motores de calor nunca são 100% eficientes, porque o calor restante ( i.e.,, o calor não é convertido para o trabalho) é liberado para o entorno, que estão em uma temperatura mais baixa. Os motores a vapor usados para alimentar os primeiros trens e geradores elétricos são motores de calor em que a água é a substância de trabalho. Em um motor de calor reverso (Figura 2), o efeito oposto ocorre. O trabalho é convertido em calor, que é liberado.
a Figura 1
Em um motor térmico, uma entrada de calor provoca um aumento na temperatura da substância activa, permitindo que a substância de trabalho para executar o trabalho., Neste diagrama esquemático, a substância de trabalho é a água. A alta temperatura, a água gasosa (vapor) empurra um pistão, o que faz com que uma roda gira. Este é o mecanismo essencial através do qual os comboios a vapor operam.
Figura 2
num motor térmico reverso, uma entrada de trabalho é convertida numa saída de calor. Neste caso, o trabalho (gerado pela eletricidade) condensa a água gasosa (vapor) e empurra-a para uma bobina de troca de calor., Na bobina, a temperatura da água diminui à medida que liquefaz, libertando calor para o ambiente.
em 1851, o médico da Flórida John Gorrie recebeu a Primeira Patente dos EUA para uma máquina de refrigeração, que usa um motor térmico reverso (Figura 2) como o primeiro passo em sua operação. Gorrie, convencido de que a cura para a malária era fria porque os surtos foram encerrados no inverno, procurou desenvolver uma máquina que pudesse fazer gelo e arrefecer o quarto de um paciente no verão quente da Flórida. In Dr., A geladeira de Gorrie, ar foi comprimido usando uma bomba, o que fez com que a temperatura do ar aumentasse (trocando trabalho por calor). Correr este ar comprimido através de tubos em um banho de água fria liberou o calor para a água. O ar foi então autorizado a expandir novamente para a pressão atmosférica, mas como tinha perdido o calor para a água, a temperatura do ar era menor do que antes e poderia ser usado para esfriar a sala. os frigoríficos modernos funcionam segundo o mesmo princípio de conversão do trabalho em calor, mas utilizam outras substâncias que não o ar., A substância de trabalho em um refrigerador moderno é chamado de refrigerante; o refrigerante muda de gás para líquido à medida que vai de temperatura mais alta para baixa. Esta mudança de gás para líquido é uma transição de fase, e a energia liberada sobre esta transição é principalmente dependente das interações intermoleculares da substância.Assim, para compreender o ciclo de refrigeração utilizado nos frigoríficos modernos, é necessário primeiro discutir transições de fase.
fases e transições de fase
a matéria existe principalmente em três fases diferentes (estados físicos): sólido, líquido e gás., Uma fase é uma forma de matéria que é uniforme em composição química e propriedades físicas. Como mostrado na Figura 3, uma substância na fase sólida tem uma forma definitiva e volume; uma substância na fase líquida não tem forma definitiva, mas tem um grande volume; uma substância na fase gasosa não tem forma definitiva ou volume, mas tem uma forma e o volume determinado pela forma e tamanho do recipiente.,
Figura 3
Este esquema mostra as diferenças nas propriedades físicas e de partículas de arranjo entre uma substância no sólido, líquido, gás e fases. Em um sólido, as partículas são embaladas em uma configuração rígida, dando à substância uma forma e tamanho definidos. Num líquido, as partículas estão próximas, mas podem mover-se em relação umas às outras, dando à substância um volume definido, mas uma forma de fluido., Em um gás, as partículas podem ocupar todo o volume do recipiente, de modo que sua forma e volume são ambos definidos pelo recipiente.
visão Molecular (microscópica)
uma das principais diferenças nas três fases ilustradas na Figura 3 é o número de interacções intermoleculares que contêm. As partículas em um sólido interagem com todos os seus vizinhos mais próximos, as partículas em um líquido interagem com apenas algumas das partículas próximas, e as partículas em um gás não têm quase nenhuma interação entre si., Ao quebrar ou formar interações intermoleculares, uma substância pode mudar de uma fase para outra. Por exemplo, moléculas de gás condensam-se para formar líquidos devido à presença de forças intermoleculares atrativas. Quanto mais fortes as forças atrativas, maior a estabilidade do líquido (o que leva a uma temperatura de ponto de ebulição mais alta). Uma mudança no estado físico da matéria é chamada de transição de fase. Os nomes das transições de fase entre sólido, líquido e gás são mostrados na Figura 4., transições de fase
são semelhantes a reações químicas, pois cada uma delas tem uma mudança de entalpia associada. Enquanto uma reação química envolve a quebra e formação de ligações dentro das moléculas, transições de fase envolvem a quebra ou formação de forças atrativas intermoleculares. Transições de fase envolvendo a quebra de atrações intermoleculares ( como fusão, vaporização e sublimação) requerem uma entrada de energia para superar as forças atrativas entre as partículas da substância., Transições de fase envolvendo a formação de atrações intermoleculares ( como congelamento, condensação e deposição) liberam energia à medida que as partículas adotam uma conformação de menor energia. A força das atrações intermoleculares entre as moléculas, e portanto a quantidade de energia necessária para superar essas forças atrativas (bem como a quantidade de energia liberada quando as atrações são formadas) depende das propriedades moleculares da substância. Geralmente, quanto mais polar uma molécula é, mais fortes são as forças atrativas entre moléculas., Assim, mais moléculas polares tipicamente requerem mais energia para superar as atrações intermoleculares, e liberar mais energia formando atrações intermoleculares.,0; enthalpy decreases
(exothermic process)Condensation
(gas to liquid)ΔH < 0; enthalpy decreases
(exothermic process)Deposition
(gas to solid)ΔH < 0; enthalpy decreases
(exothermic process)Figure 4
This diagram shows the names of the phase transitions between solids, liquids, and gases., A seta à direita do diagrama demonstra que estas três fases têm entalpias diferentes: o gás tem a entalpia mais alta, o líquido tem uma entalpia intermediária, e o sólido tem a entalpia mais baixa.
Tabela 1
Esta tabela mostra o sinal da entalpia de mudança para cada uma das transições de fase descrita acima. Lembre-se que os processos endotérmicos têm uma mudança de entalpia positiva, e os processos exotérmicos têm uma mudança de entalpia negativa.,
visão Termodinâmica (macroscópica)
além da visão microscópica apresentada acima, podemos descrever transições de fase em termos de propriedades termodinâmicas macroscópicas. É importante ter em mente que as visões microscópicas e macroscópicas são interdependentes; isto é, as propriedades termodinâmicas, tais como entalpia e temperatura, de uma substância são dependentes do comportamento molecular da substância. as transições de fase são acompanhadas por alterações na entalpia e entropia., Neste tutorial, nos preocuparemos principalmente com mudanças na entalpia. A mudança de energia envolvida na quebra ou formação de atrações intermoleculares é principalmente fornecida ou liberada na forma de calor. Adicionar calor faz com que as atrações intermoleculares sejam quebradas. Como isso ocorre? O calor é uma transferência de energia para moléculas, fazendo com que as moléculas aumentem seu movimento como descrito pela teoria cinética dos gases e, assim, enfraquecendo as forças intermoleculares que mantêm as moléculas no lugar., Da mesma forma, quando as moléculas perdem calor, as atrações intermoleculares são fortalecidas; à medida que o calor é perdido, as moléculas se movem mais lentamente e, portanto, podem interagir mais com outras moléculas próximas.
porque as mudanças de fase geralmente ocorrem a pressão constante (isto é, em um recipiente de reação aberto à atmosfera), o calor pode ser descrito por uma mudança na entalpia (ΔH=qp). Para transições de fase envolvendo a quebra de atrações intermoleculares, o calor é adicionado e ΔH é positivo, o sistema está indo de uma fase de entalpia inferior para uma fase de entalpia superior (um processo endotérmico)., Portanto, fusão, vaporização e sublimação são todas transições de fase endotérmica. Para transições de fase envolvendo a formação de atrações intermoleculares, o calor é liberado e ΔH é negativo, porque o sistema está indo de uma fase de alta entalpia para uma fase de baixa entalpia (um processo exotérmico). Portanto, congelamento, condensação e deposição são todas transições de fase exotérmica. A mudança de entalpia para cada um dos processos de transição de fase na Figura 4 é apresentada no quadro 1 acima., a mudança de entalpia das transições de fase também pode ser usada para explicar diferenças nos pontos de fusão e pontos de ebulição das substâncias. A uma dada pressão, uma substância tem uma característica que o intervalo de temperatura em que ele passa por transições de fase; por exemplo, o ponto de fusão é a temperatura em que uma substância muda de fase sólida para a fase líquida e o ponto de ebulição é a temperatura em que uma substância muda de fase líquida para a fase gasosa., Em geral, quanto maior a mudança de entalpia para uma transição de fase, maior a temperatura em que a substância passa pela transição de fase. Por exemplo, líquidos com fortes atrações intermoleculares requerem mais calor para vaporizar do que líquidos com atrações intermoleculares fracas; portanto, o ponto de ebulição (Ponto de vaporização) para estes líquidos será maior do que para os líquidos com atrações intermoleculares mais fracas.
refrigeração
Agora, vamos usar a nossa compreensão de motores de calor e transições de fase para explicar como os frigoríficos funcionam., As alterações de entalpia associadas às transições de fase podem ser utilizadas por um motor térmico (Figura 1) para trabalhar e transferir calor entre a substância em transição de fase e o ambiente circundante. Em um motor de calor, uma” substância de trabalho ” absorve calor a alta temperatura e converte parte desse calor para trabalhar. Em um processo secundário, o resto do calor é liberado para o ambiente a uma temperatura mais baixa, porque o motor de calor não é 100% eficiente. como ilustrado na Figura 2, um frigorífico pode ser considerado como um motor térmico ao contrário., O efeito de resfriamento em uma geladeira é alcançado por um ciclo de condensação e vaporização do refrigerante, que geralmente é o composto não tóxico CCl2F2 (Freon-12). Um frigorífico contém um compressor eléctrico que funciona com gás Freon. Bobinas fora da geladeira permitem que Freon libere calor quando condensa, e bobinas dentro da geladeira permitem que Freon absorva o calor à medida que vaporiza. A figura 5 mostra as transições de fase do Freon e seus eventos associados de troca de calor que ocorrem durante o ciclo de refrigeração.,
Clique no botão cor-de-rosa, para ver um filme do QuickTime, mostrando uma animação do ciclo de refrigeração. - fora do refrigerador,o compressor eletricamente funciona no gás Freon, aumentando a pressão do gás., À medida que a pressão do gás aumenta, também aumenta a sua temperatura (como previsto pela lei do gás ideal). este gás de alta pressão, de alta temperatura, entra na bobina no exterior do frigorífico. o calor (q) flui do gás de alta temperatura para o ar de baixa temperatura da sala que rodeia a bobina. Esta perda de calor faz com que o gás de alta pressão se condense em líquido, à medida que o movimento das moléculas de Freon diminui e as atrações intermoleculares aumentam., Assim, o trabalho feito no gás pelo compressor (causando uma transição de fase exotérmica no gás) é convertido em calor dado no ar na sala fora do refrigerador. o Freon líquido na bobina externa passa através de uma válvula de expansão para uma bobina no interior do compartimento isolado do frigorífico. Agora, o líquido está a uma baixa pressão (como resultado da expansão) e é menor em temperatura (mais fria) do que o ar dentro da geladeira., uma vez que o calor é transferido de áreas de maior temperatura para áreas de menor temperatura, o calor é absorvido (a partir do interior do frigorífico) por Freon líquido, fazendo com que a temperatura dentro do frigorífico seja reduzida. O calor absorvido começa a quebrar as atrações intermoleculares do Freon líquido, permitindo que o processo de vaporização endotérmica ocorra. quando todo o Freon muda para o gás, o ciclo pode começar de novo.
o ciclo acima descrito não funciona continuamente, mas é controlado por um termóstato., Quando a temperatura dentro do frigorífico sobe acima da temperatura definida, o termóstato inicia o compressor. Uma vez que o frigorífico tenha sido arrefecido abaixo da temperatura definida, o compressor é desligado. Este mecanismo de controle permite que o refrigerador para conservar a eletricidade apenas executando tanto quanto é necessário para manter o refrigerador à temperatura desejada. os frigoríficos são essencialmente motores térmicos que funcionam ao contrário. Enquanto um motor de calor converte o calor para o trabalho, motores de calor inversos convertem o trabalho para o calor., No Frigorífico, O calor gerado é transferido para o exterior do frigorífico. Para arrefecer o frigorífico, é necessária uma “substância de trabalho” ou “refrigerante”, como o Freon. A geladeira funciona usando um ciclo de compressão e expansão no Freon. O trabalho é feito no Freon por um compressor, e o Freon libera calor para o ar fora do refrigerador (como ele sofre a condensação exotérmica de um gás para um líquido)., Para regenerar o Freon gasoso para compressão, o Freon passa por uma bobina interna, onde passa pela vaporização endotérmica da fase líquida para a fase gasosa. Este processo endotérmico faz com que o Freon absorva o calor do ar dentro da geladeira, resfriando a geladeira.
ligações adicionais:
- Para mais explicações sobre como funcionam os frigoríficos, veja este site de “How Stuff Works,” por Marshall Brian.
Brown, Lemay, and Bursten. Chemistry: the Central Science, 7th ed., P. 395-98. Petrucci e Harwood., General Chemistry, 7th ed., P. 435, 699-701, 714-15.
agradecimentos:
os autores agradecem Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor e Carolyn Herman por muitas sugestões úteis na escrita deste tutorial.
o desenvolvimento deste tutorial foi apoiado por uma bolsa do Instituto Médico Howard Hughes, através do programa de Educação de Ciências Biológicas de Graduação, Grant HHMI# 71199-502008 para a Universidade de Washington.