TD 010 –Principais propriedades

A seguir serão abordadas as propriedades mais comuns dos sistemas termodinâmicos e que vão aparecer bastante nos capítulos seguintes. São elas:

· MASSA

A massa mede a quantidade de matéria existente no sistema. É, portanto, um parâmetro importante. No SI a massa é medida em quilograma (kg) que é uma das unidades básicas deste sistema.

Quanto à questão massa versus peso, basta lembrar que massa é a quantidade de matéria e que peso é a força devida a atração gravitacional do nosso planeta medida na balança, que nada mais é que um dinamômetro. A massa é uma grandeza escalar e o peso é uma grandeza vetorial. O resultado da pesagem depende da intensidade do campo gravitacional que varia com a altitude. Na ausência da gravidade o peso é zero. Por esta razão, a massa é preferida em relação ao peso no estudo dos sistemas.

Se o sistema for uma substância pura, a quantidade de matéria também pode ser expressa em mol que está relacionado com o número de moléculas e que é considerada no SI como a verdadeira unidade de quantidade de matéria. Como o quilograma, o mol é uma das unidades fundamentais. Para obter o numero de moles a partir da massa do sistema em gramas, basta dividir pela massa molecular da substância pura que constitui o sistema. Com isto, a quantidade de matéria é dada em g-mol ou, simplesmente mol. Se a massa do sistema for expressa em quilogramas e for dividida pela massa molecular, o resultado será o kg-mol. Mais adiante, ainda neste capítulo, quando a composição dos sistemas for abordada, esta questão de massa versus mol voltará a ser considerada. A massa molecular é a massa da substância em gramas quando o número de moléculas for igual ao número de Avogadro, cujo valor é 6,02214179x10²³ moléculas por g-mol. O número de Avogadro para o kg-mol é mil vezes maior. No SI o mol é definido como sendo a quantidade de matéria cujo número de moléculas correspondente a exatos 12 gramas do isótopo 12 do carbono. O número de Avogadro é calculado a partir desta definição.

· VOLUME

O volume mede o espaço ocupado pelo sistema. Não há mistério em relação ao volume, sendo a propriedade mais facilmente entendida. No SI o volume é medido em metros cúbicos (m³) sendo, portanto, baseado no metro que é uma das unidades básicas do SI. O metro é definido como o comprimento percorrido pela luz no vácuo no intervalo de 1/299792458 segundos. O litro (L) é muito usado porque está numa escala mais apropriada para usos práticos. A correspondência entre o metro cúbico e o litro é:

A preferência depende da escala. Para sistemas de pequeno porte, encontrados em laboratórios, o volume é normalmente expresso em litros ou mililitros, para sistemas de grande porte, encontrados nas indústrias químicas, o metro cúbico é preferido embora o litro ainda seja preferido.

O volume pode ser dividido pela massa, neste caso ele se chama volume especifico (m³/kg). O inverso do volume específico é a densidade (kg/m³). O volume também pode ser dividido pelo número de moles, neste caso recebe o nome de volume molar (m³/mol).

· ENERGIA

No SI a energia é medida em Joules (J), mas a caloria (cal) ainda resiste. O Joule é definido como sendo a energia igual ao trabalho realizado por uma força de um Newton (N) quando ela é deslocada numa distância de um metro (m). A caloria é a energia necessária para elevar um grama de água em 1°C em condições bem especificadas. Existem várias calorias em função da temperatura onde se inicia a variação de temperatura (4°C, 15°C (4.1855 J) e 20°C (4.182 J)). Existe também a caloria média que é um centésimo da energia necessária para levar a água de 0°C a 100°C (4.190 J). Existe também a caloria termoquímica que corresponde exatamente a 4.184 J.

Existem algumas propriedades termodinâmicas associadas a energia dos sistemas . Estas propriedades serão consideradas na medida em que forem aparecendo. Não dá para antecipar porque elas são definidas em função dos princípios fundamentais da Termodinâmica. O primeiro princípio define a energia interna e a entalpia e o segundo principio define a entropia, a energia livre e a entalpia livre.

· PRESSÃO

Pressão é um parâmetro normalmente associado a fluidos sendo a força por unidade de área exercida, na fronteira, pela vizinhança sobre o sistema e vice-versa. Como a fronteira é imaterial e não possui espessura, o sistema reage se contrapondo a pressão exercida pela vizinhança com uma pressão igual e de sentido oposto conforme reza o princípio da ação e reação de Newton. Nos gases, esta força decorre da variação do impulso (quantidade de movimento) das moléculas quando elas colidem elasticamente contra a fronteira do sistema. Nos líquido a pressão é de natureza hidrostática e decorre do peso da coluna de líquido.

No SI a pressão é medida em Pascal (Pa), que é a pressão exercida por uma força de 1 Newton (N), uniformemente distribuída sobre uma superfície de um metro quadrado de área. Apenas a componente da força perpendicular à superfície de atuação da força contribui para a pressão. A pressão é um parâmetro muito apreciado porque pode ser facilmente medida acoplando um manômetro ao sistema. Para dar uma idéia, a pressão atmosférica é igual a 100 kPa, isto é, um hectoPascal (hPa).

Ainda persistem muitas unidade de pressão que não pertencem ao SI. Uma delas é a atmosfera (atm), que a pressão ao nível do mar e que foi padronizada como sendo:

Como a pressão é medida pela altura de líquidos manométricos, ainda persiste o milímetro de mercúrio (mmHg), cujo valor é 1/760 atm. Em homenagem a Torricelli o mmHg é conhecido como Torr.

· TEMPERATURA

A temperatura é uma medida associada com a agitação molecular, ou melhor, com a energia cinética média das moléculas. Está também associada com as noções de quente e frio. No SI a temperatura é uma das unidades fundamentais deste sistema de unidades e é medida em °K. A temperatura em Kelvin está relacionada com a temperatura em Celsius pela fórmula:

O grau Celsius, também conhecido como grau centigrado, tem por base a temperatura de fusão do gelo, a qual é atribuída o valor 0°C, e a temperatura de ebulição da água, a qual é atribuída o valor 100°C. Um centésimo nesta escala corresponde a um grau Celsius. O grau Kelvin é exatamente igual ao grau Celsius com apenas uma diferença, o zero da escala Kelvin é colocado no zero absoluto que corresponde a -273°C do que resulta a relação acima.

A escala Fahrenheit ainda resiste. Nesta escala o zero é localizado no congelamento de uma solução salina.

A temperatura é um parâmetro muito apreciado uma vez que pode ser medida diretamente por um instrumento, como, por exemplo, um termopar. Neste aspecto ela faz parceria com a pressão.

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