Termodinâmica
Prof. Agostinho Gomes da Silva
Substância pura
•Substância pura:
Composição química invariável e homogênea
Pode existir em mais de uma fase (mas todas fases têm a mesma
composição química).
•São exemplos de substâncias puras:
água líquida, mistura de água líquida + vapor de água,
mistura de água líquida + gelo
•Não são substâncias puras:
mistura de água + óleo, mistura de gasolina + álcool, ar líquido + ar no
estado gasoso
Substância pura
•Desde que o ar não sofra mudança de fase, ele poderá ser tratado como
substância pura. Rigorosamente falando o ar não é uma substância pura mas
apresenta algumas característica de uma substância pura.
•Substâncias simples compressíveis
Efeitos de superfície, efeitos magnéticos e elétricos são ignorados.
Mas
variações de volume são importantes.
Equilíbrio de fases
vapor-líquida-sólida numa substância pura
Equilíbrio de fases
vapor-líquida-sólida numa substância pura
•Temperatura de saturação – temperatura
na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão
(pressão de saturação).
•Para água a pressão de saturação
a 99,6 C é 0,1 Mpa.
•Para substâncias puras existe uma
relação bem definida entre a
pressão de saturação e a
temperatura de saturação.
Equilíbrio de fases
vapor-líquida-sólida numa substância pura
Diagrama temperatura x volume específico para água.
Estados de uma substância
Se uma substância existe como líquido a temperatura de saturação, ela
é chamada de líquido saturado.
Se a temperatura do líquido mais baixa que a temperatura de saturação
para a pressão existente, então dizemos que a substância é um líquido
sub-resfriado, ou que, ela é um líquido comprimido.
Se parte de uma substância está na fase líquida é parte na fase vapor,
na temperatura de saturação seu título é definido como a razão entre a
massa de vapor e a massa total.
Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação,
então ela denominada vapor saturado (ou vapor saturado seco).
Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de
saturação ele é chamado de vapor superaquecido.
A pressão e temperatura do vapor superaquecido são propriedades
independentes.
Título de uma substância
Título:
Volume total:
Volume específico médio:
Volume específico médio:
Ponto triplo
Propriedades independentes de uma
substância pura
O estado de uma substância pura simples é definido por
duas propriedades independentes.
Na saturação, os estados de líquido saturado e vapor
saturado de uma substãncia pura, estão a mesma
pressão e temperatura. Assim, na saturação, a pressão
e temperatura não são propriedades independentes.
Duas propriedades independentes são necessárias para
especificar o estado de saturação de uma substância
pura.
Exemplos: pressão e volume específico; pressão e
título.
Diagrama T-v
Diagrama T-v
Diagrama P-v
Diagrama P-T
Superfícies termodinâmicas
Superfície P-v-T de uma substância que se contrai na solidificação.
Superfícies termodinâmicas
Superfície P-v-T de uma substância que se expande durante a
solidificação.
Tabelas termodinâmicas
1) Líquido e vapor saturado
Tabelas termodinâmicas
1) Exemplo 1
Um tanque contém 50 kg de água
líquida a 90 C. Determine o pressão no
tanque e o volume do tanque.
Solução
Estado: líquido saturado.
Da tabela para água saturada temos
70,183
,
O volume específico para a água saturada é
O volume total do tanque é:
50
,
0,001036
0,001036
0,0518
Tabelas termodinâmicas
Tabelas termodinâmicas
1) Exemplo 2
Um sistema pistão-cilindro contém 2 pés cúbicos de
vapor de água saturado à pressão de 50 psia.
Determine a temperatura e a massa de água.
Solução
Estado: vapor saturado saturado.
Da tabela para água saturada temos
!
!
," # $
O volume específico para a água saturada é
A massa de vapor de água é:
+
(
280,99'
8,5175
(,," # $
2,- / 8,5175
)
*
)
*
0,235 lbm
Tabelas termodinâmicas
1) Exemplo 3
Uma massa de 200 g de água líquida saturada é
completamente vaporizada à pressão constante de 100
kPa. Determine a mudança de volume e a quantidade
de energia transferida para a água.
Solução
Estado inicial: líquido saturado. Estado final: vapor saturado
O diagrama mostra o processo. A variação de volume específico corresponde
à diferença entre os volumes específicos do vapor saturado e o líquido saturado.
O mesmo se aplica à entalpia. Assim,
Tabelas termodinâmicas
2) Mistura líquido e vapor saturado
Tabelas termodinâmicas
2) Mistura líquido e vapor saturado
Tabelas termodinâmicas
2) Mistura líquido e vapor saturado
Tabelas termodinâmicas
2)Exemplo 1
Um tanque rígido contém 10 kg de água a 90 C.
Se 8 kg de água estão na forma líquida e o resto na
forma de vapor, determine
a) a pressão no tanque
b) o volume do tanque
Solução
Temos vapor e líquido em equilíbrio temos então uma mistura saturada.
Da tabela de água saturada:
70,183
,
Os volumes específicos são para o vapor e o líquido:
Tabelas termodinâmicas
2)Solução
Uma forma de encontrar o volume é determinar o volume
ocupado por cada fase:
Outra forma é determinar o título e calcular o volume específico médio e obter o
volume do tanque:
Tabelas termodinâmicas
2)Exemplo 2
Um vaso contém 4 kg de refrigerante R-134a a pressão de 160 kPa.
Determine,
a) a temperatura
b) o volume ocupado pela fase vapor
c) a entalpia
Solução:
Não sabemos qual é o estado do R134a. Determinamos o estado
comparando os valores de uma propriedade do fluido com os valores
dessa para o vapor e o líquido saturados a 160 kPa.
O volume específico médio é:
Tabelas termodinâmicas
2) Solução
Na pressão de 160 kPa
O volume específico médio v é tal que
)
/
/
Então tem-se uma mistura saturada.
Da tabela para o R134a saturado, tem-se
para Psat = 160 kPa:
Tabelas termodinâmicas
2) Solução
O título da mistura é:
A entalpia da mistura é:
A massa e o volume do vapor são:
Tabelas termodinâmicas
3) Vapor superaquecido
Comparado ao vapor saturado, vapor superaquecido é
caracterizado por:
a) baixas pressões (P < Psat para uma dada T)
b) altas temperaturas ( T > Tsat para uma dada P)
c) grandes volumes específicos (v > vg para uma P ou T)
Na região de vapor superaquecido a temperatura e a pressão são
propriedades independentes e podem ser usadas para determinar os
valores das propriedades dos fluidos nas tabelas.
Na página a seguir tem-se um trecho de uma tabela de vapor de
água superaquecido. Na primeira linha tem-se os valores das
propriedades na saturação. Nas demais linhas temos os valores das
propriedades para o vapor superaquecido. Note a tabela lista as
propriedades para diversos valores de pressão.
Tabelas termodinâmicas
3) Vapor superaquecido
Tabelas termodinâmicas
3) Exemplo:
Determine a temperatura a água no estado P = 0,5 MPa e h = 2890 kJ/kg.
Solução
Da tabela para a água saturada (P=0,5 MPa) tem-se que a entalpia do
vapor saturado é 2748,1 kJ/kg.
Assim a entalpia da água é maior que a
entalpia do vapor saturado e portanto o
estado é o de vapor superaquecido
Tabelas termodinâmicas
3) Exemplo:
Solução:
Da tabela de vapor superaquecido para P = 0,5 Mpa temos
Interpolamos a entalpia para achar a temperatura: