Aula - Pressão de Vapor 2022 1

Pressão de vapor É a pressão na qual vapor e líquido coexistem. Também é chamada de pressão de equilíbrio e depende da temperatura. Em uma dada temperatura, existe apenas uma pressão onde as fases líquida e vapor de uma substância pura podem coexistir em equilíbrio. Essa pressão é a PRESSÃO DE VAPOR!!! Pvap a 290 K Pvap a 270 K Pvap a 250 K Região de 2 fases P V Qualquer substância tem um número infinito de pontos de ebulição, mas por costume, chama-se ponto de ebulição “normal” a temperatura em que a ebulição ocorre sob pressão de 1 atm. Para a água, o ponto de ebulição normal é 100 ºC a 1 atm, logo sua pressão de vapor a 100 ºC é igual a 1 atm (= 101,3 kPa = 760 mmHg) Quanto maior a pressão de vapor de uma substância (e portanto, mais próxima da pressão atmosférica), mais volátil é a substância. Pressão de vapor... Observações!!!!! Variação da pressão de vapor com a temperatura   T C B A Pvap    ln Equação de Antoine: Onde A, B e C = constantes para cada substância T = temperatura Onde obter as constantes de Antoine (A, B e C )? Qualquer livro de Termodinâmica!!!! (tabelas nos apêndices) Obs: a equação de Antoine não é a única para predição da pressão de vapor!!! Tabela B.2: Constantes da Equação de Antoine para Pressões de Vapor de Espécies Puras ln \ \frac{P^{sat}/kPa}{A} = \frac{B}{t/^{o}C+C} Calor latente de vaporização no ponto normal de ebulição (\Delta H_n) e ponto normal de ebulição (t_n) Parâmetros para Eq. de Antoine Faixa de Temperatura \Delta H_n t_n Nome Fórmula A^† B C °C kJ/mol °C Acetona C_3H_6O 14,3145 2756,22 228,060 -26 — 77 29,10 56.2 Ácido acético C_2H_4O2 15,0717 3580.80 224,650 24 — 142 23,70 117.9 Acetonitrila* C_2H_3N 14,8950 3413,10 250,523 -27 — 81 30,19 81.6 Benzeno C_6H_6 13,7819 2726,81 217,572 6 — 104 30,72 80,0 iso-Butano C_4H_10 13,8254 2181,7 248,870 -83 — 7 21,30 -11.9 n-Butano C_4H_10 13,6608 2154,7 238,789 -73 — 19 22,44 -0,5 1-Butanol C_4H_10O 15,3144 3212,4 182,739 37 — 138 43,29 117,6 2-Butanol* C_4H_10O 15,1989 3020,6 186,500 25 — 120 40,75 99.5 iso-Butanol C_4H_10O 14,6047 2740.9 166,670 30 — 128 41.82 107.8 tert-Butanol C_4H_10O 14,8445 2658,2 177,650 10 — 101 39,07 82.3 Tetracloreto de carbono CCl_4 14,0572 2914.4 232,148 -14 — 101 29,82 76,6 Clorobenzeno C_6H_5Cl 13,8635 3174,19 211,700 29 — 159 35,19 131.7 1-Clorobutano C_4H_9Cl 13,7965 2723,7 218,265 -17 — 79 30,39 78,5 Clorofórmio CHCl_3 13,7234 2548,7 218,552 -23 — 83 29,24 61.1 Ciclo-hexano C_6H_12 13,6568 2723,4 220,618 9 — 105 29,97 80.7 Ciclopentano C_5H_10 13,9727 2653,9 234,510 -35 — 71 27,30 49.2 n-Decano C_10H_22 13,9748 3442,7 193,585 8 — 203 38,75 174.1 Dicloroetano CH_2Cl_2 13,9891 2463.9 223,240 -38 — 60 28,06 39.7 Éter dietílico C_4H_10O 14,0735 2511,1 231,200 -43 — 55 26,52 34.4 1,4-Dioxano C_4H_8O_2 15,0967 3579,7 240,337 20 — 105 34.16 101.3 Calcule, usando a equação de Antoine, as seguintes pressões de vapor: Substância Temperatura Acetona 50 ◦C Ciclohexano 85 ◦C Benzeno 300 K 1-butanol 573 K Calcule, usando a equação de Antoine, as temperaturas nas quais as substâncias tem as seguintes pressões de vapor: Substância Pressão de vapor Acetona 135,6 kPa Clorofórmio 180,53 mmHg diclorometano 0,1099 MPa Exercícios sobre determinação de pressão de vapor Água Mistura de um gás não-condensável e um vapor saturado Lembrando que: um gás não-condensável é aquele que não forma fase líquida se este contato é mantido por razoável período de tempo, o equilíbrio é atingido. Ar seco P = 1 atm = 101,3 kPa gás (ou mistura gasosa) entra em contato com um líquido Água Ar + vapor de água (parcialment e saturado) parte desse líquido se evapora, o gás adquire vapor do líquido Água Ar + vapor de água (totalmente saturado) A pressão parcial do vapor é igual à pressão de vapor do líquido na temperatura do sistema T = 65 ºC P = 1 atm = 101,3 kPa P = 1 atm = 101,3 kPa P e T constantes, logo V é variável Exemplo: AR-VAPOR D’ÁGUA (extrema importância em processos de secagem) P (kPa) P do sistema 101,3 76,4 24,9 Tempo Entendendo o que está acontecendo dentro do sistema anterior... Pressão parcial do ar Pressão de vapor da água (Pvap) Pressão parcial do vapor de água (pi) A pressão parcial do vapor de água é igual à pressão de vapor da mesma na temperatura do sistema Essa também é chamada de pressão de saturação do vapor de água na mistura (Psat) T = 65 ºC Assumindo que a Lei do Gás Ideal se aplica tanto para a ar quanto para o vapor d’água, as seguintes relações são válidas na saturação: R T n R T n V p V p O H ar O H ar        2 2 ar ar O H ar O H ar p P p n n p p    2 2 Saturação relativa (f): quando o tempo de contato do gás (ou mistura de gases) com o líquido não é suficiente para que se atinja a saturação (equilíbrio). Assim, uma menor quantidade de vapor estará presente na mistura e sua pressão parcial será menor que a correspondente pressão de vapor. vap O H O H p p 2 2   A pressão parcial do vapor de água vai de 0 até a pressão de saturação, e a saturação relativa varia de 0 a 1. Ainda para a mistura AR – VAPOR D’ÁGUA... Umidade relativa (UR): 100% % 100 2 2     vap O H H O p p UR  Umidade absoluta (UA):     (na saturação total) ,0 622 ou ,0 622 622 ,0 ,97 28 ,02 18 de ar seco massa de água massa vap água vap água água água ar ar água ar ar água ar água p P p p P p p n p n n n M n n M UA                  M = massa molecular EXERCÍCIO 1: Saturação Qual o volume (em m3) de ar seco a 20 ºC e 100 kPa necessários para evaporar 6 kg de álcool etílico (etanol), sendo que a pressão total do sistema permanece a 100 kPa e a temperatura permanece a 20 ºC? Assuma que o ar é soprado para evaporar o álcool de maneira que pressão da mistura ar-álcool seja 100 kPa. Ar seco 20 ºC 100 kPa V = ? Etanol 6 kg Mistura saturada Ar seco- álcool 100 kPa Constante dos gases = 8,314 kPa m3 kgmol-1 K-1 Tar = 20º C Par = 100 kPa met = 6 kg Cálculo da Pvap et a 20º C (tabela Van Ness): Dados: P_{ar}V_{ar} = n_{ar}RT \rightarrow 94,126 \ kPa. V_{ar} = 2,083 \ kmol. 8,314 \ \frac{kPa.m^3}{kmol.K}. 293,15K \rightarrow V_{ar} = 53,94m^3 EXERCÍCIO 2: Desidratação Para evitar a deterioração de remédios em um recipiente, você remove toda a água (mágua = 0,93 kg) do ar úmido contido no recipiente a 15 ºC e 98,6 kPa por absorção em sílica gel. O mesmo ar ocupa um volume de 1000 m3 a 20 ºC e 108 kPa quando está seco. Qual era a umidade relativa do ar úmido (não-saturado)? Vapor de água UR = ? Ar seco 15 ºC 98,6 kPa Ar seco 1000 m3 20 ºC e 108 kPa Água (m = 0,93 kg) Constante dos gases = 8,314 kPa m3 kgmol-1 K-1 T= 15º C P = 98,6 kPa mag = 0,93 kg Cálculo da Pvap H20 a 15º C (tabela Van Ness): Dados: Logo: UR = \frac{P_{H_2O}}{P_{H_2O \, vap}} * 100\% = \frac{0,113 \ kPa}{1,713 \ kPa} * 100\% = 6,60\% EXERCÍCIO 3: Deseja-se remover água de ar ambiente (AR_1) a 760 mmHg, 20°C e 60% UR. Para tanto, o ar foi resfriado, obtendo-se um corrente de ar (AR_2) a 8 °C e com umidade absoluta (UA_2) de 0,006517 kg H₂O/kg ar seco, e uma corrente de água condensada (C), como mostra o esquema abaixo: AR_1 20°C UR_1 = 60% UA_1 = ? RESFRIAMENTO C (água retirada do ar) ->AR_2 8°C UA_2 = 0,006517 kg H₂O/kg ar seco UR_2 = ? Dados: Vazão de ar seco: AS = 100 kg ar seco/h Pressão total: P = 760 mmHg Constantes de Antoine para a água (mmHg e K): A = 18,3036 B = 3816,44 C = -46,13 a) O ar de entrada AR_1 está saturado? Por quê? b) Qual a umidade absoluta da corrente de ar antes de entrar no desumidificador (UA_1 em kg H₂O/kg ar seco)? c) Qual a vazão de água (em kg/h) que foi condensada (Ou seja, qual o valor de C)? d) Qual a umidade relativa (em %) do ar ao sair do desumidificador (UR_2)? EXERCÍCIO 4: Deseja-se aquecer 100 kg/h de ar ambiente saturado (AR_e) (25°C, 760 mmHg) até 100°C. Para tanto, o ar passou por um aquecedor, como mostra o esquema abaixo: AR_e = 100 kg/h 25°C AQUECEDOR ->AR_s = 100 kg/h 100°C Obs: A corrente de AR não perde água ao passar pelo aquecedor. Dado: Pressão total: P = 760 mmHg Constantes de Antoine para a água (mmHg e K): A = 18,3036 B = 3816,44 C = -46,13 a) Qual a umidade absoluta da corrente de ar antes de entrar no aquecedor (UA_e em kg H₂O/kg ar seco)? E depois de passar pelo aquecedor (UA_s em kg H₂O/kg ar seco)? b) Qual a vazão de ar seco presente nesses 100 kg/h de ar úmido (em kg/h)? c) Qual a umidade relativa (em %) do ar de saída do aquecedor (UR_s)? d) O ar de saída do aquecedor está saturado? (__) SIM (__) NÃO. Por quê?