Teoria

Toda forma de energia usa uma referência

Toda forma de energia precisa de uma referência para ser calculada. Por exemplo, para calcular a energia potencial gravitacional E P G de um objeto, usamos como referência a altitude dele em relação ao chão Z . Além disso, a gente calcula a energia cinética E C de um objeto, usando como referência a velocidade dele ν em relação à velocidade da Terra!

Se a referência é tão importante para o cálculo da energia, por que ainda não falamos sobre a referência da entalpia específica h das tabelas termodinâmicas? E qual a pressão P e a temperatura T que usamos como referência para o cálculo da entalpia h ? Entenderemos o motivo de não falarmos disso, através do exemplo da figura abaixo.

A figura acima mostra um compressor de vapor d’água. O vapor d’água entra na bomba a 200   k P a e a 200 °   C com uma vazão mássica de 1   k g / s . Ele sai do compressor a 500   k P a e a 400   ° C . Considerando que o compressor funciona em regime permanente, quanto de potência W ˙ ele consome para comprimir o vapor? Vamos responder essa pergunta agora!

Qual é a referência das entalpias específicas h das tabelas de propriedades?

Nessa questão, a vazão mássica de entrada do vapor d’água m ˙ e é igual à vazão mássica de saída m ˙ s .

m ˙ s = m ˙ e = 1   k g / s

Para calcular W ˙ do compressor, nós precisamos reorganizar a primeira lei da termodinâmica do compressor.

  m ˙ e × h e = W ˙ + m ˙ s × h s

W ˙ = m ˙ e × h e - m ˙ s × h s

Vemos pela equação acima que precisamos achar os valores de h e e h s na tabela de vapor superaquecido de água. h e é a entalpia específica de entrada do vapor d’água. h s é a entalpia específica de saída do vapor d’água. A tabela termodinâmica abaixo mostra onde encontrar esses valores. Mas qual referência a tabela usou para calcular esses valores de entalpia h ?

Na tabela termodinâmica acima, a água líquida saturada a 0,01   ° C foi usado como referência. Isso significa que todas as entalpias específicas h   presentes nas tabelas de água usam como referência a mesma entalpia da água líquida saturada a 0,01   ° C . Mas essa referência é apenas a referência da água. Cada substância tem uma única referência para entalpia!

Quando não tem reação, as entalpias de referência se cancelam

Como h e e h s são as entalpias de uma mesma substância (água), elas usam a mesma referência h r e f para determinar seus valores. Como W ˙ é a diferença entre h e e h s , a entalpia da referência h r e f é cancelada no cálculo de W ˙ . Por isso, o valor da entalpia de referência não afeta o valor da potência W ˙ .

Mas o cancelamento da referência da entalpia não ocorre apenas nesse caso específico de cálculo de W ˙ . A referência é cancelada sempre que a substância que entra no volume de controle é igual à substância que sai do volume de controle! No caso do compressor, a referência cancelou, porque a mesma substância (água) entrou e saiu do volume de controle.

Em todas as questões de primeira que estudamos até aqui, a substância que entrava no volume de controle era igual à substância que saía do volume de controle! Ou seja, não usamos o valor da referência da entalpia até agora, porque ele se cancelava em todas as questões de primeira lei da termodinâmica até agora.

A entalpia de formação h - f 0

O cancelamento das referências da entalpia só não acontece, quando a substância que entra no volume de controle é diferente da substância que sai do volume de controle! Esse tipo de mudança de substância só ocorre com uma reação química! Por exemplo, na combustão de metano C H 4 com ar seco, C H 4 , O 2 e N 2 entram no volume e C O 2 , H 2 O e N 2 saem dele.

Como as entalpias de referência das substâncias presentes na combustão não cancelam, elas afetam o cálculo das diferenças de entalpia! Por isso, precisamos conhecer o valor da entalpia de referência de cada substância da combustão. Essas entalpias de referência são chamadas entalpias de formação. Geralmente, elas estão presentes em tabelas em base molar k J k m o l .

Essa entalpia de formação também pode ser entendida como a entalpia da substância, quando ela está a 0,1   M P a de pressão e a 25   ° C de temperatura! Cada substância tem uma entalpia de formação diferente, porque cada substância tem uma quantidade de energia armazenada diferente!

A fórmula da entalpia específica h - de uma substância da combustão

Nós conhecemos o valor da entalpia da substância a 25   ° C e a 0,1   M P a , porque esse valor pode ser encontrado na tabela de entalpia de formação h - f 0 . Mas como podemos calcular o valor de entalpia específica h - de uma substância, quando ela está em temperaturas T diferentes de 25   ° C ou pressões P diferentes de 0,1   M P a ? Usando a fórmula abaixo!

h - = h - f 0 + Δ h -

onde:

  • h - é a entalpia específica da substância, quando ela está em temperaturas diferentes de 25   ° C ou pressões diferentes de 0,1   M P a . Ela está em base molar. Sua unidade no Sistema Internacional é o quilojoule por quilomol k J / k m o l ;
  • h - f 0 é a entalpia de formação da substância. Ela está em base molar. Sua unidade no Sistema Internacional é o quilojoule por quilomol k J / k m o l ;
  • Δ h - é a diferença entre a entalpia específica da substância a uma temperatura qualquer T e a uma pressão qualquer P h - e a entalpia específica da substância a 25   ° C e 0,1   M P a h - f 0 . Ela está em base molar e seu valor é encontrado em tabelas. Sua unidade no Sistema Internacional é o quilojoule por quilomol k J / k m o l .

Δ h - = h - - h - f 0

A figura abaixo ilustra cada variável da fórmula.

Exemplo de cálculo da entalpia específica h - de uma substância da combustão

Calcular h - é muito importante, porque o seu valor será usado na primeira lei da termodinâmica da combustão! Por isso, vamos exercitar esse cálculo com um exemplo!

Calcule o valor da entalpia específica em base molar do gás carbônico C O 2 a 300   K .

A fórmula que usamos para calcular esse valor é:

h - C O 2 = h - f 0 C O 2 + Δ h - C O 2

O valor de h - f 0 C O 2 pode ser obtido a partir da tabela de entalpias de formação.

h - f 0 C O 2 = - 393522   k J k m o l

A entalpia Δ h - C O 2 pode ser encontrada na tabela abaixo. Existe uma tabela como essa para cada substância presente na combustão.

Δ h - C O 2 = 69   k J k m o l

Substituindo esses valores na fórmula de entalpia específica h - , achamos:

h - C O 2 = h - f 0 C O 2 + Δ h - C O 2

h - C O 2 = - 393522 + 69

h - C O 2 = - 393453   k J k g

Entalpia de formação h - f 0 de uma substância quimicamente mais estável

Atenção! Nem sempre o valor de entalpia de formação de uma substância estará em uma tabela. Em alguns casos, você precisa saber de cabeça que a entalpia de formação da substância vale zero! Esse é o caso do carbono na forma de grafita C , do gás nitrogênio N 2 , do gás oxigênio O 2 , do enxofre S e do hidrogênio H 2 .

h - f 0 N 2 = 0   k J k m o l

h - f 0 O 2 = 0   k J k m o l

h - f 0 H 2 = 0   k J k m o l

h - f 0 S = 0   k J k m o l

h - f 0 C g r a f i t a = 0   k J k m o l

Essas substâncias com entalpia de formação nula são conhecidas como substâncias quimicamente mais estáveis. Atenção! Precisamos memorizar quais são essas substâncias para lembrar na hora da prova!

Agora que sabemos disso tudo, vamos para os exercícios!

Quando não tem reação, as entalpias de referência se cancelam

A entalpia de formação h - f 0

A fórmula da entalpia específica h - de uma substância da combustão

Exemplo de cálculo da entalpia específica h - de uma substância da combustão

Entalpia de formação h - f 0 de uma substância quimicamente mais estável

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