TD 009 - Propriedades termodinâmicas

Todas as quantidades mensuráveis dos sistemas são chamadas propriedades do sistema. No caso dos sistemas termodinâmicos estas propriedades recebem o nome de propriedades termodinâmicas do sistema. Esta definição não impõe limites para as propriedades. São exemplos de propriedades as quantidades de matéria (massa e número de moles) e de energia, a pressão, a temperatura, o volume, a área superficial da fronteira, a tensão superficial, o índice de refração, a viscosidade, etc. Algumas destas propriedades podem ser monitoradas com instrumentos facilmente disponíveis como a temperatura, por meio de termômetros, a pressão, usando manômetros, etc. Outras exigem técnicas de medição mais elaboradas que podem incluir amostragens. A composição, por exemplo, exige técnicas e equipamentos que podem ser sofisticados e específicos para cada componente.

SISTEMAS DE UNIDADES

A obtenção dos valores das propriedades dos sistemas depende da escolha de um sistema de unidades apropriado. Existe uma tendência mundial no sentido de se adotar as unidades básicas do SI – Sistema Internacional. Estas unidades são sete: o metro (m) para comprimento, o quilograma (kg) para massa, o segundo (s) para tempo, o grau Kelvin (°K) para temperatura termodinâmica, o ampère (A) para corrente elétrica, o mol (mol) para quantidade de matéria e a candela (cd) para intensidade luminosa. As definições destas unidades básicas são dadas a seguir:

· Metro (m)

O metro já foi definido como sendo uma fração da distância entre o equador e o pólo. Depois passou a ser a distância entre duas marcas numa barra feita de uma liga platina-irídio conservadas em condições controladas na França, mais precisamente em Sèvres nos arrabaldes de Paris. Hoje ele é a distância percorrida pela luz num intervalo de tempo de 1/c segundos, onde c = 299 792 458 metros por segundo é a velocidade da luz no vácuo, uma constante universal.

· Quilograma (kg)

É a única unidade cujo valor está associado a um objeto que serve como padrão, sendo a massa do protótipo internacional feito com uma liga platina-irídio depositada na França, dentro dos padrões de precisão e confiabilidade que a ciência permite. É também a única que tem prefixo. Provavelmente, porque acharam que o protótipo da grama seria pequeno demais. Contudo, ninguém chama mil quilogramas de quiloquilograma e nem a grama de miliquilograma. Não dá para esconder que a verdadeira unidade de massa é o grama.

· Mol (mol)

O mol é a quantidade de matéria correspondente a uma quantidade fixa de partículas (átomos e moléculas) do material. Esta quantidade corresponde ao número de partículas igual ao número de átomos existentes em exatos 0.012 quilogramas de carbono 12. Este número, conhecido como número de Avogadro, é igual a 6.022 141 99 x 10²³. Então

1 mol = 46.060 gramas de etanol = 74.120 gramas de butanol = 18.020 gramas de água

O mol está vinculado à massa da substância expressa em gramas dividida pela sua massa molecular. Se a massa da substância for expressa em quilogramas, então o resultado é o kg-mol.

1 kg-mol =1000 moles

· Segundo (s)

Antes era uma fração do dia solar, depois passou a ser uma fração da revolução da Terra ao redor do Sol. Com o advento dos relógios atômicos o segundo passou a ser definido por estes relógios. Hoje é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos no estado fundamental do átomo de césio-133.

· Grau Kelvin (°K)

Fração 1/273.16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.

· Ampère (A)

Corrente constante que, se mantida em dois condutores retilíneos e paralelos, de comprimento infinito e secção transversal desprezível, colocados a um metro um do outro no vácuo, produziria entre estes dois condutores uma força igual a 2 x10^-7 newton por metro de comprimento.

· Candela (Cd)

Intensidade luminosa, em uma determinada direção, de uma fonte que emite radiação monocromática cuja freqüência é 540x10¹² hertz e que tem uma intensidade radiante naquela direção de 1/683 watt por esferorradiano.

PREFIXOS

Os prefixos aceitos pelo SI para designar múltiplos e submúltiplos são: Y = yotta (10^-24), Z = zetta, (10²¹), E = exa (10¹⁸), P = peta (10¹⁵) T = tera (10¹²), G = giga (10⁹), M = mega (10⁶), k = quilo (10³), h = hecto (10²), da = deca (10¹), d = deci (10^-1), c = centi (10^-2), m = mili (10^-3), µ = micro (10^-6), n = nano (10^-9), p = pico (10^-12), f = femto (10^-15), a = atto (10^-18), z = zepto (10^-21) e y = yocto (10^-24).

A maioria destes prefixos não é usada por resultarem em unidades, ou grandes demais, ou pequenas demais para a escala humana e ficam como mera curiosidade. Observe, também, que o quilograma é a única unidade básica do SI com prefixo e também a única baseado num objeto físico guardado em Paris.

UNIDADES DERIVADAS

Várias unidades têm nomes próprios, as principais no que refere ao uso na termodinâmica são: o newton (N) para força (m.kg.s^-2), o pascal (Pa) para pressão (m^-1.kg.s^-2), o joule (J) para energia (m².kg.s^-2), o watt (w) para potencia(m².kg.s^-3), o volt (V) para força eletromotriz (m²·kg·s^-3·A^-1). Existem outras unidades com nomes especiais, mas serão definidas na medida em que forem surgindo.

UNIDADES NÃO PERTENCENTES AO SI

As unidades que mais perturbam quem está envolvido com problemas científico tecnológicos são as unidades do sistema inglês. Isso porque estas unidades são ainda hoje usadas nos Estados Unidos e na Inglaterra, países que ainda exercem considerável liderança científica e tecnológica. Como não seguem uma relação decimal entre elas, a conversão é complicada. Em todo caso, ambos estão se bandeando para o SI e existe um acordo relacionando as unidades inglesas com o SI. Ainda bem.

Para comprimento existem muitas unidades ditas inglesas, a Wikipedia relaciona vinte. As mais freqüentes na ciência e tecnologia são a jarda (yd), o pé (ft) e a polegada (“).

1 yd = 3 ft = 16”

Tomando por base o metro tem-se que

1 yd =0.9144 m

No sistema inglês mais usado o overdupois a unidade de massa é a libra (lb) e a onça (oz)

1 lb = 16 oz

Tomando como base o quilograma

1 lb = 0.45359237 kg

A medida inglesa de temperatura é o grau Fahrenheit (°F) que se relaciona com o grau centígrado (°C) através da fórmula

PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

Considere como sendo o sistema água dentro de um recipiente para água. O recipiente, com capacidade para 20L, tem 5L de água em seu interior. Se forem adicionado mais 5L de água, o volume de água no recipiente passa a ser 10L. Se for acrescentado mais 5L, o volume do sistema passará a ser 15L. As propriedades que, como o volume, que possuem propriedades aditivas são chamadas propriedades extensivas. São variáveis extensivas, com comportamento aditivo semelhante ao volume, a massa o numero de moles, a energia interna, etc.

Agora considere 5L de água a 50°C contido num recipiente. Se mais 5L de água a 50°C forem adicionados, o resultado será 10L de água a 50°C. Então a temperatura não tem a propriedade de aditividade sendo, por isso uma propriedade intensiva do sistema. São propriedades intensivas a pressão, a viscosidade, o índice de refração.