Fundamentos da Termodinamica

Fundamentos da Termodinamica

(Parte 3 de 10)

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

Termodinâmica – Depto Mecânica – UNITAU – Prof. Dr. Fernando Porto ligeiramente e a pressão permanece constante. Quando a temperatura atinge 9,6 °C, uma transferência adicional de calor implica numa mudança de fase, como indica o item b da figura. Isto é, uma parte do líquido se transforma em vapor e, durante este processo, a pressão e a temperatura permanecem constantes mas o volume específico aumenta consideravelmente.

Quando a última gota de líquido tiver vaporizado, uma transferência adicional de calor resulta num aumento da temperatura e do volume específico do vapor, como mostra o item b e a Figura 3.3.

Temperatura de saturação: é a temperatura na qual ocorre a vaporização de um líquido a uma dada pressão, e esta pressão é chamada de pressão de saturação para a dada temperatura.

Se uma substância existe como líquido na temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de líquido saturado. Se a temperatura do líquido é mais baixa do que a temperatura de saturação para a pressão existente, a substância é chamada de líquido comprimido (significando que a pressão é maior do que àquela de saturação para a dada temperatura).

Figura 3.3: Diagrama temperatura por volume específico

Título: Quando uma substância é composta por uma parcela na fase líquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturação, seu título é definido como a razão entre a massa de vapor

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

Termodinâmica – Depto Mecânica – UNITAU – Prof. Dr. Fernando Porto e a massa total. Assim, na Fig. 3.1, se a massa do vapor for 0,2 kg , a massa do líquido será igual a 0,8 kg e o título será 0,2 ou 20%. O título pode ser considerado como uma propriedade intensiva e seu símbolo é x.

Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, ela é chamada de vapor saturado (título é 100%). Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação, é chamado de vapor superaquecido.

Ponto crítico: É um ponto de inflexão com inclinação nula onde os estados líquido saturado e vapor saturado são idênticos. A temperatura, pressão e volume específico do ponto crítico são chamados temperatura crítica, pressão crítica e volume crítico. Para a água, a temperatura crítica é de 374,14oC, a pressão crítica, 2,09 MPa e o volume específico crítico, 0,003155 m3/kg.

3.3 Propriedades Independentes de uma Substância Pura

Um motivo importante para a introdução do conceito de substância pura é que o estado de uma substância pura simples compressível (isto é, uma substância pura na ausência de movimento, ação da gravidade e efeitos de superfície, magnéticos ou elétricos) é sempre definido por duas propriedades independentes. Isso significa que, se por exemplo, o volume específico e a temperatura do vapor superaquecido forem especificados, o estado do vapor estará determinado.

Um processo a pressão constante, numa pressão maior do que a crítica, é representado pela linha PQ (figura 3.3). Se a água a 40 MPa e 20 °C for aquecida num processo a pressão constante, dentro de um cilindro como o da Fig. 3.1, nunca haverá duas fases presentes. Haverá uma variação contínua da massa específica e haverá sempre uma só fase presente. A questão que surge é: quando teremos líquido e quando teremos vapor? A resposta é que essa não é uma questão válida para pressões super-críticas. Usaremos, nesse caso, simplesmente a designação de fluido.

3.4 Tabelas de propriedades termodinâmicas

No caso da água, estas tabelas normalmente são conhecidas como tabelas de vapor.

Tabelas de vapor saturado: São duas, uma relacionando as propriedades do vapor saturado em função da temperatura de saturação, e outra relacionando-as com a pressão de saturação. Ambas as tabelas fornecem o volume específico do líquido saturado (vl) e o volume específico do

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

Termodinâmica – Depto Mecânica – UNITAU – Prof. Dr. Fernando Porto vapor saturado (v). A diferença entre vl e v representa o acréscimo de volume específico quando a substância passa de liquido saturado para vapor saturado. O volume específico da região de saturação (volume específico médio, v) é determinado através do título:

()vlvxvxv..1+-= Para facilitar os cálculos, foi criada a variável vlv representando a diferença entre v e vl :

lvlvxvv.+=

Relação das tabelas do Apêndice B mais usadas no curso:

Tabela B.1 – Propriedades termodinâmicas da água

B.1.1 – Água saturada, em função da temperatura B.1.2 – Água saturada, em função da pressão

B.1.3 – Vapor d’água superaquecido, em função da temperatura B.1.4 – Água líquida comprimida, em função da temperatura

Tabela B.2 – Propriedades termodinâmicas da amônia B.2.1 – amônia saturada, em função da temperatura B.2.2 – amônia saturada, em função da pressão

B.3.1 – R-12 saturado, em função da temperatura B.3.2 – R-12 saturado, em função da pressão

B.4.2 – R-2 saturado, em função da pressão

Tabela B.5 – Propriedades termodinâmicas do refrigerante R-134a B.5.1 – R-134a saturado, em função da temperatura

B.5.2 – R-134a saturado, em função da pressão

Tabela B.6 – Propriedades termodinâmicas do nitrogênio B.6.1 – nitrogênio saturado, em função da temperatura B.6.2 – nitrogênio saturado, em função da pressão

Tabela B.7 – Propriedades termodinâmicas do metano B.7.1 – metano saturado, em função da temperatura B.7.2 – metano saturado, em função da pressão

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

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Exemplo 1. Vapor d’água saturado a 260oC e título de 70%. Calcular o volume específico médio. Da tabela B.1.1:

T Ps vl v 260 4,688 0,001276 0,04221

_ Exemplo 2. Vapor d’água saturado a 0,5 MPa e título de 70%. Calcular o volume específico médio. Da tabela B.1.2:

P Ts vl v 0,5 151,86 0,001093 0,3749

_ Exemplo 3. Refrigerante R-12 saturado a 23oC e título de 85%. Calcular o volume específico médio. Da tabela B.3.1:

T Ps vl v 20 0,56729 0,000752 0,030780 25 0,65162 0,000763 0,026854 interpolando:

T Ps vl v 23 0,61789 0,000759 0,028424

_ Exemplo 4. Refrigerante R-12 saturado a 0,7 MPa e título de 85%. Calcular o volume específico médio. Da tabela B.3.1:

T Ps vl v 25 0,65162 0,000763 0,026854

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

Termodinâmica – Depto Mecânica – UNITAU – Prof. Dr. Fernando Porto interpolando:

T Ps vl v 0,7 0,000769 0,025118

As tabelas de vapor saturado também podem ser usadas para determinar o estado termodinâmico de uma substância pura.

_ Exemplo 5. Seja água a 60oC e a 25kPa. Determine o estado.

Da tabela de vapor saturado (B.1.1), temos para 60oC a pressão Ps de 19,940kPa. Como sPP> para a temperatura, então o estado é de líquido comprimida.

_ Exemplo 6. Seja água a 80oC e a 47,39kPa. Determine o estado.

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