Equilíbrio de Fases numa Substância Pura
Considere uma substância pura na fase líquida em determinada temperatura e pressão em um recipiente fechado que mantenha a pressão constante. Ao transferirmos calor para esta substância, sua temperatura aumentará até começar o processo de mudança da fase líquida para a fase gasosa. Durante o processo de mudança de fase, a temperatura permanece constante independentemente da quantidade de calor injetada. Após toda a fase líquida passar para a fase gasosa, a temperatura voltará a aumentar.
Temperatura de saturação é a temperatura na qual ocorre a vaporização numa determinada pressão, denominada de pressão de saturação ou de vapor. No caso de substâncias puras, a temperatura de saturação é uma função da pressão de saturação. No caso da água, a temperatura de saturação é de 99,6°C para a pressão de 0,1MPa (1 atm) e no caso do metano a forma da curva é a mesma mas as temperaturas e pressões são diferentes.
Se uma substância encontra-se na fase líquida na temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de líquido saturado.
Se a temperatura de uma substância líquida é mais baixa do que do que a temperatura de saturação na pressão existente, a fase é chamada de sub-resfriado ou líquido comprimido, porque, para estar nestas condições, a pressão deve ser superior à pressão de saturação.
Título - x - de uma substância é definido como sendo a razão entre a massa de vapor e a massa total da substância. Título é uma propriedade intensiva e só tem sentido quando as fases líquida e gasosa existem simultaneamente e, conseqüentemente, a substância encontra-se no estado saturado - temperatura e pressão de saturação.
Se uma substância encontra-se na fase gasosa na temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de vapor saturado. Quando o título é 100%, o vapor é chamado de saturado seco.
Vapor superaquecido é definido como sendo o vapor em temperatura superior à temperatura de saturação. Neste caso, temperatura e pressão passam a ser propriedades independentes.
Na realidade, todas as substâncias gasosas conhecidas podem ser consideradas vapor superaquecido.
O Estado Saturado caracteriza-se pela mistura de líquido saturado e vapor saturado em equilíbrio e pode ser representado graficamente pelo seguinte gráfico Temperatura versus volume específico. Observa-se que o título pode ser considerado como a distância entre o estado da mistura e o estado líquido saturado dividido pela distância entre os estados líquido e vapor saturado na temperatura de saturação em questão. Conforme a temperatura aumenta, a distância entre os estados diminui até que o ponto crítico é atingido. Neste pontos os dois estados são idênticos e a definição de título deixa de existir. Quando isto ocorre, a substância encontra-se em condições supercríticas e passa a ser chamada de fluido. No entanto, por convenção, fluidos em temperaturas inferiores à temperatura crítica são chamados de líquidos comprimidos. Analogamente, quando a temperatura é superior à temperatura crítica, os fluidos são chamados de vapor superaquecido.
O Estado Saturado é caracterizado pela mistura de líquido saturado e vapor saturado em equilíbrio. Neste caso, o volume da mistura será dado por:
Onde:
V é o volume total;
Vl é a parcela do volume total ocupada pelo líquido;
Vv é a parcela do volume total ocupada pelo vapor;
ml é a parcela da massa da fase líquida;
mv é a parcela da massa da fase gasosa;
x é o título da mistura.
Analogamente, a energia interna e a entalpia serão dados por:
