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Entalpia de sublimação

1850
  • Germain Hess
Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

The enthalpy of sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], is the heat required to convert one mole of a substance from solid to gas at a given temperature and 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 (ΔHfus) e da entalpia de vaporização (ΔHvap).

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).

The enthalpy change for the direct path is the enthalpy of sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]. The enthalpy change for the two-step path is the sum of the enthalpy of fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex], for the solid-to-liquid transition) and the enthalpy of vaporization ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex], for the liquid-to-gas transition). Since the initial and final states are identical for both pathways, Hess’s Law dictates that their total enthalpy changes must be equal. This principle is incredibly useful because it allows for the calculation of an unknown enthalpy change from known values. For instance, if the enthalpies of fusion and vaporization are experimentally easier to measure than the enthalpy of sublimation, the latter can be calculated accurately. This data is crucial for chemical engineers and physicists in designing processes and modeling physical phenomena where sublimation is a key factor, such as in material deposition, criogenia, e astrofísica.

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)
  • o primeira lei da termodinâmica (conservação de energia)

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.
  • designing chemical purification apparatus based on sublimation
  • termodinâmica Desenvolvimento de banco de dados para ciência dos materiais

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • developing novel refrigerants that use the sublimation-deposition cycle for high-efficiency cooling
  • creating self-regulating temperature buffers for sensitive cargo using materials with a specific enthalpy of sublimation
  • designing atmospheric captura de carbono systems that freeze co2 and then sublime it for collection
  • formulating energetic materials for rocket propulsion that sublime before combustion for better mixing
  • engineering phase-change materials for armazenamento de energia térmica that utilize the solid-gas transition
  • manufacturing biodegradable packaging that disintegrates via controlled sublimation
  • developing advanced fire suppressants that sublime into an inert gas, smothering flames without residue
  • creating artificial snow for indoor ski slopes with tailored sublimation rates for better texture
  • designing sublimating drones for covert surveillance that leave no physical trace after their mission
  • medical cryoablation tools that use sublimation for precise tissue removal
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 (CP e CV) 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].
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Instalação de painel solar demonstrando o efeito fotovoltaico na física do estado sólido.

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 (Rs). A relação é cp - cv = Rs. Para calores específicos molares (Cp e Cv), a relação é Cp - Cv = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que cp é sempre maior que cv.
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)

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