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Entalpia de sublimação

1850

Germain Hess

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A entalpia de sublimação, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressãoDe acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa mudança de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap).

A relação [latex]Delta H_{text{sub}} = Delta H_{text{fus}} + Delta H_{text{vap}}[/latex] é uma aplicação direta da Lei de Hess da Soma Constante de Calor, um princípio fundamental da termoquímica. Essa lei afirma que a variação total de entalpia durante um processo químico ou físico é a mesma, independentemente do caminho percorrido, desde que os estados inicial e final sejam os mesmos. Nesse contexto, o estado inicial é a fase sólida e o estado final é a fase gasosa. Podemos imaginar dois caminhos para ir do sólido ao gás: um caminho direto em uma única etapa (sublimação) ou um caminho em duas etapas (fusão do sólido para o estado líquido e, em seguida, vaporização do líquido para o estado gasoso).

A variação de entalpia para o caminho direto é a entalpia de sublimação, ΔH_sub. A variação de entalpia para o caminho em duas etapas é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus, para a transição sólido-líquido) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap, para a transição líquido-gás). Como os estados inicial e final são idênticos para ambos os caminhos, a Lei de Hess determina que suas variações totais de entalpia devem ser iguais. Esse princípio é extremamente útil porque permite o cálculo de uma variação de entalpia desconhecida a partir de valores conhecidos. Por exemplo, se as entalpias de fusão e vaporização forem experimentalmente mais fáceis de medir do que a entalpia de sublimação, esta última pode ser calculada com precisão. Esses dados são cruciais para engenheiros químicos e físicos no projeto de processos e na modelagem de fenômenos físicos onde a sublimação é um fator chave, como na deposição de materiais, criogenia e astrofísica.

Química, Criogenia, Energia, Entalpia, Tratamento térmico, Ciência dos Materiais, Diagrama de Fases, Otimização de Processos, Termodinâmica

UNESCO Nomenclature: 2210

Termodinâmica

Tipo

Lei Física

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

O trabalho de Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace sobre calorimetria e mudanças de calor em reações químicas
o desenvolvimento do conceito de entalpia (conteúdo de calor)
the first law of thermodynamics (conservation of energy)

Aplicações

Cálculo das necessidades energéticas para processos industriais de liofilização.
Modelagem da ablação de escudos térmicos em espaçonaves durante a reentrada atmosférica
Prever o comportamento dos cometas à medida que se aproximam do Sol.
projeto de aparelhos de purificação química baseados em sublimação
thermodynamic database development for materials science

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Relacionado a: entalpia de sublimação, lei de Hess, termoquímica, transição de fase, entalpia de fusão, entalpia de vaporização, função de estado, termodinâmica, calor de sublimação, energia.

Contexto histórico

Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume e pressão constantes, respectivamente, e são considerados constantes.

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e se deformam linearmente com o tempo quando submetidos a uma tensão. Materiais elásticos, como um elástico, se deformam quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Os materiais viscoelásticos possuem elementos de ambos os tipos de propriedades.

Entalpia de sublimação

Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica introduz o conceito de entropia e define a direção dos processos espontâneos. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, mas uma consequência fundamental é que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Essa lei explica a "flecha do tempo" e por que os processos são irreversíveis, como o fluxo espontâneo de calor de um corpo quente para um corpo frio.

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

O Modelo de Gás Perfeito

Um gás perfeito é um modelo teórico de um gás onde as forças intermoleculares são negligenciadas e os calores específicos (C_P e C_V) são considerados constantes em relação à temperatura. Isso simplifica significativamente os cálculos termodinâmicos. Trata-se de um caso específico do gás ideal, onde os calores específicos podem variar com a temperatura, tornando-o um modelo mais restrito.

19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Estatística)

A formulação da mecânica estatística da lei dos gases ideais expressa a relação em termos das propriedades microscópicas do gás. Ela relaciona a pressão ([latex]P[/latex]) e o volume ([latex]V[/latex]) ao número total de partículas ([latex]N[/latex]) e à temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

1841

1845

1850

1839-01-01

1842

1847

1850

O efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a geração de tensão e corrente elétrica em um material quando exposto à luz. É um fenômeno físico e químico. Uma aplicação comum é a célula solar, que utiliza esse efeito para converter a luz solar diretamente em eletricidade. O efeito se baseia em fótons de luz que excitam elétrons para um estado de energia mais elevado.

Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (R_s). A relação é c_p - c_v = R_s. Para calores específicos molares (C_p e C_v), a relação é C_p - C_v = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que c_p é sempre maior que c_v.

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservação de Energia

Um princípio fundamental afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, como de energia potencial para energia cinética. Na mecânica clássica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Para um fluido newtoniano, a viscosidade é função da temperatura e da pressão, mas não da taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque a maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças intermoleculares coesivas com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.

Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma a conservação da energia. Ela postula que a variação da energia interna de um sistema fechado (ΔU) é igual ao calor fornecido ao sistema (Q) menos o trabalho realizado pelo sistema sobre o meio externo (W). A equação que rege essa lei é ΔU = Q - W. Essa lei relaciona calor, trabalho e energia interna, estabelecendo o calor como uma forma de transferência de energia.

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalisador em Equilíbrio Químico

Um catalisador aumenta a velocidade das reações direta e inversa igualmente, fornecendo uma via de reação alternativa com menor energia de ativação. Embora um catalisador permita que um sistema atinja o equilíbrio muito mais rapidamente, ele não altera a posição do equilíbrio em si. As concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos, bem como o valor da constante de equilíbrio K, permanecem inalterados.

19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Molar)

A lei dos gases ideais é a equação de estado para um gás ideal hipotético, aproximando o comportamento de muitos gases sob diversas condições. A forma molar relaciona a pressão ([latex]P[/latex]), o volume ([latex]V[/latex]), a quantidade de substância em moles ([latex]n[/latex]) e a temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante universal dos gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

Relação Clausius-Clapeyron

A relação de Clausius-Clapeyron descreve a relação entre pressão e temperatura para uma substância em uma transição de fase, como líquido e vapor. Para o vapor de água, ela mostra que a pressão de vapor de saturação aumenta exponencialmente com a temperatura. A forma aproximada é [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex], onde L é o calor latente.

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)