Volume específico: Água, Ar, Vapor, Nitrogênio e Gás Ideal

O volume específico é uma característica de propriedade intensiva de cada elemento ou material. Matematicamente definido como a relação entre o volume ocupado por uma certa quantidade de matéria (um quilograma ou um grama); Em outras palavras, é o recíproco da densidade.

A densidade indica quanto pesa 1 mL de matéria (líquido, sólido, gás ou uma mistura homogênea ou heterogênea), enquanto o volume específico se refere ao volume que ocupa 1 g (ou 1 kg) dela. Assim, conhecendo a densidade de uma substância, basta calcular o recíproco para determinar seu volume específico.

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A que se refere a palavra “específico”? Quando qualquer propriedade é especificada, significa que é expressa em função da massa, o que permite sua transformação de uma propriedade extensa (que depende da massa) para uma propriedade intensiva (contínua em todos os pontos do sistema).

As unidades nas quais o volume específico é normalmente expresso são (m 3 / Kg) ou (cm 3 / g). No entanto, embora essa propriedade não dependa da massa, depende de outras variáveis, como temperatura ou pressão incidente na substância. Isso faz com que um grama de substância ocupe mais volume em temperaturas mais altas.

Da água

A primeira imagem mostra uma gota de água prestes a se misturar com a superfície do líquido. Porque, é claro, é uma substância, sua massa ocupa volume como qualquer outra. Este volume macroscópico é um produto do volume e das interações de suas moléculas.

A molécula de água é por química fórmula H 2 O, com uma massa molecular de aproxidamente 18 g / mol. As densidades apresentadas também dependem da temperatura e, em uma escala macro, considera-se que a distribuição de suas moléculas é o mais homogênea possível.

Com os valores de densidade ρ a uma temperatura T, para calcular o volume específico de água líquida, basta aplicar a seguinte fórmula:

v = (1 / ρ)

É calculado determinando experimentalmente a densidade da água usando um picnômetro e, em seguida, realizando o cálculo matemático. Como as moléculas de cada substância são diferentes umas das outras, da mesma maneira o volume específico resultante será.

Se a densidade da água em uma ampla faixa de temperaturas for de 0,997 kg / m 3 , seu volume específico será de 1,003 m 3 / kg.

Do ar

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O ar é uma mistura gasosa homogênea, composta principalmente por nitrogênio (78%), seguida por oxigênio (21%) e, finalmente, por outros gases na atmosfera da Terra. Sua densidade é uma expressão macroscópica de toda essa mistura de moléculas, que não interagem eficientemente e se propagam em todas as direções.

Como se supõe que a substância é contínua, sua propagação em um recipiente não altera sua composição. Novamente, medindo a densidade nas condições de temperatura e pressão descritas, é possível determinar qual volume 1 g de ar ocupa.

Como o volume específico é 1 / ρ e seu ρ é menor que o da água, seu volume específico é maior.

A explicação desse fato é baseada nas interações moleculares da água versus as do ar; Este último, mesmo no caso de umidade, não se condensa, a menos que seja submetido a temperaturas muito baixas e altas pressões.

Vapor

Sob as mesmas condições, um grama de vapor ocupará um volume maior que o de um grama de ar? O ar é mais denso que a água na fase gasosa, porque é uma mistura dos gases mencionados acima, diferentemente das moléculas de água.

Como o volume específico é o inverso da densidade, um grama de vapor ocupa mais volume (é menos denso) do que um grama de ar.

As propriedades físicas do vapor como fluido são indispensáveis ​​em inúmeros processos industriais: dentro de trocadores de calor, para aumentar a umidade, limpar máquinas, entre outros.

Existem muitas variáveis ​​a serem levadas em consideração ao manusear grandes quantidades de vapor nas indústrias, principalmente no que se refere à mecânica de fluidos.

Nitrogênio

Como o restante dos gases, sua densidade depende consideravelmente da pressão (ao contrário de sólidos e líquidos) e da temperatura. Assim, os valores para seu volume específico variam de acordo com essas variáveis. Daí a necessidade de determinar seu volume específico para expressar o sistema em termos de propriedades intensivas.

Sem valores experimentais, através do raciocínio molecular, é difícil comparar a densidade do nitrogênio com a de outros gases. A molécula de nitrogênio é linear (N≡N) e a da água é angular.

Como uma “linha” ocupa menos volume que um ” bumerangue “, pode-se esperar que, pela definição de densidade (m / V), o nitrogênio seja mais denso que a água. Utilizando uma densidade de 1.2506 Kg / m 3 , o volume específico nas condições sob as quais esse valor foi medido é 0,7996 m 3 / Kg; É simplesmente o recíproco (1 / ρ).

Do gás ideal

O gás ideal é aquele que obedece à equação:

P = nRT / V

Pode-se observar que a equação não considera nenhuma variável como estrutura ou volume molecular; Também não considera como as moléculas de gás interagem entre si em um espaço definido pelo sistema.

Em uma faixa limitada de temperaturas e pressões, todos os gases “se comportam” da mesma forma; Por esse motivo, é válido, em certa medida, supor que eles obedeçam à equação dos gases ideais. Assim, a partir desta equação, várias propriedades dos gases podem ser determinadas, dentre elas o volume específico.

Para esclarecê-lo, é necessário expressar a equação em termos das variáveis ​​de densidade: massa e volume. As moles são representadas por n, e são o resultado da divisão da massa do gás pela sua massa molecular (m / M).

Tendo a variável massa m na equação, se for dividida pelo volume, pode-se obter a densidade; a partir daqui é suficiente limpar a densidade e depois “virar” os dois lados da equação. Ao fazer isso, o volume específico é finalmente determinado.

A imagem abaixo ilustra cada uma das etapas para chegar à expressão final do volume específico de um gás ideal.

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Referências

  1. Wikipedia (2018). Volume específico Retirado de: en.wikipedia.org
  2. Study.com (21 de agosto de 2017). O que é volume específico? – Definição, fórmula e unidades Retirado de: study.com
  3. NASA (5 de maio de 2015). Volume específico Retirado de: grc.nasa.gov
  4. Michael J. Moran e Howard N. Shapiro. (2004). Fundamentos da termodinâmica técnica. (2ª Edição). Reverté editorial, página 13.
  5. Tópico 1: Conceitos de termodinâmica. [PDF]. Retirado de: 4.tecnun.es
  6. TLV (2018). Principais aplicativos para o Steam. Retirado de: tlv.com

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