UTFPR Termodinâmica 1 Avaliando Propriedades

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1 UTFPR Termodinâmica 1 Avaliando Propriedades Moran e Shapiro - Cap. 3 Çengel e Boles - Cap. 3 Van Wylen e Sonntag - Cap. 3

2 Fase Refere-se a uma quantidade de matéria que é homegênea como um todo, tanto em composição química como em estrutura física (sólido, líquido ou vapor). Água líquida + vapor duas fases Água líquida + gelo duas fases Álcool(líq) + água(líq) uma fase Óleo(líq) + água(líq) duas fases Ar uma fase Obs. separado de outras fases por fronteira facilmente identificável.

3 Fases - Água Sólido Líquido Gasoso

4 Substância Pura Tem composição química homogênea (uniforme) e invariável. Pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em cada uma das fases Mistura uniforme de gases (forma gasosa) H 2 O líquido + H 2 O vapor Pode ser mistura de vários elementos químicos, contanto que a mistura seja homogênea (ex. ar)

5 Substâncias Puras Substância Pura Não é Substância Pura

6 Definindo Estado Estado é a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades; Nem todas as propriedades são independentes entre si; e O estado pode ser determinado pelo estabelecimento das propriedades independentes.

7 Princípio dos Estados Equivalentes Define quantas propriedades independentes são necessárias para determinar o estado de um sistema. Existe uma propriedade independente para cada forma pela qual a energia de um sistema pode ser variada independentemente.

8 Princípio dos Estados Equivalentes Formas de transferência de energia: calor + trabalho (várias formas). O número de propriedades independentes é igual a um mais o número de interações relevantes do sistema devido a trabalho.

9 Sistemas Compressíveis Simples Sistema simples: existe somente uma forma pela qual a energia do sistema pode ser significativamente alterada por trabalho (quando o sistema passa por um processo quase-estático); Sistemas compressíveis simples: processos de mudança de volume ( trabalho pdv ).

10 Princípio dos estados equivalentes para sistemas compressíveis simples São necessárias duas propriedades intensivas independentes para descrever o estado de sistemas compressíveis simples.

11 Propriedades intensivas independentes Propriedade: característica quantificável do sistema (independe do histórico do sistema); Intensiva: a determinação/medição da propriedade não depende da quantidade de matéria (do tamanho) do sistema; e Independente: a variação de uma propriedade não impacta na outra.

12 Relação p-v-t A partir de conhecimento experimental, sabe-se que a temperatura e o volume específico podem ser considerados independentes e a pressão como função destes dois: p= p(t,v); Essa função gera uma superfície chamada superfície p-v-t. Todos os pontos na superfície representam um estado de equilíbrio.

13 Região p-v-t Com expansão na solidificação Com contração na solidificação

14 Características na Superfície p-v-t Linha de Líquido Saturado Ponto Crítico, estado máximo onde pode coexistir, em equilíbrio, líquido e vapor Regiões Monofásicas, onde o estado pode ser determinado por duas das propriedades p-v-t. Aparecem como superfícies curvas. Região de Saturação ou Domo de Vapor Linha Tripla, onde coexistem as três fases em equilíbrio Linha de Vapor Saturado Regiões Bifásicas, onde o estado só pode ser determinado por v e uma das propriedades p-t As superfícies são perpendiculares ao plano p-t

15 Projeções Diagrama de Fases Com expansão na solidificação Com contração na solidificação Nestes diagramas as linhas representam as regiões bifásicas. E cada ponto nestas linhas permite observar a Temperatura e Pressão de Saturação.

16 Diagrama p-v Percebe-se que nas isotermas: T<T c : mudança de fase com p constante (T e P não são independentes); T>T c : não há região identificável de mudança de fase; e p diminui quando v aumenta (a uma dada T); T=T c : Ponto de inflexão;

17 Diagrama T-v Percebe-se que nas isobáricas: P<P c : mudança de fase com T constante (T e P não são independentes); P>P c : não há região identificável de mudança de fase; P=P c : Ponto de inflexão; Regiões monofásicas: T com v

18 Mudança de Fase a P constante - Substâncias Puras

19 Identificação de Fases - Substâncias Puras Tendo 1Kg de água a uma temperatura de 20ºC e p= 1,014 bar. Estado denominado líquido sub-resfriado, pois está abaixo da temperatura de saturação; Ou líquido comprimido, pois está com pressão maior que de saturação, naquela temperatura.

20 Mudança de fase a pressão constante - Substâncias Puras Aquecendo o líquido comprimido, mas mantendo a pressão constante, alcança-se o ponto de líquido saturado;

21 Mudança de fase a pressão constante - Substâncias Puras Após isso ocorre a mudança de fase à temperatura constante, até que todo o líquido vaporiza e alcança-se o ponto de vapor saturado;

22 Mudança de fase a pressão constante - Substâncias Puras Durante o processo de mudança de fase as fases de líquido-saturado e vaporsaturado coexistem e suas quantidades são relacionadas pelo título. m m líquido vapor m vapor

23 Mudança de fase a pressão constante - Substâncias Puras

24 Mudança de fase a pressão constante - Substâncias Puras

25 Mudança de Fase a pressão constante (de 1 a 5) - Substâncias Puras

26 Mudanças de fase Fusão Vaporização Sublimação

27

28 Mudança de Fase Água

29 Obtendo Propriedades Termodinâmicas Fontes: tabelas, gráficos, equações e programas de computador; Foco maior será nas propriedades da água dadas pelas tabelas termodinâmicas A-2 a A- 6 (Moran e Shapiro), também denominadas tabelas de vapor;

30 Pressão, Volume específico e Temperatura A pressão e a temperatura são propriedades independentes nas regiões monofásicas de líquido e de vapor; Com essas duas propriedades (nesta região) é possível encontrar as outras; A Tabela A-4 é a tabela de água como vapor superaquecido; A Tabela A-5 é a tabela de água como líquido comprimido.

31 Vapor Superaquecido Para água na forma de vapor superaquecido a 4 MPa e 600ºC, tem-se da tabela A-4: T sat =250,40ºC v=0,09885 m³/kg

32 Líquido Comprimido Para água na forma de líquido comprimido a 5 MPa e 80ºC, tem-se da tabela A-5: T sat =263,99ºC v=0, m³/kg

33 Interpolação Linear Para água na forma de vapor superaquecido a 4 MPa e 1150ºC, tem-se da tabela A-4: Como na tabela não há esta temperatura temos que interpolar os dados, este método é bastante válido e permite boa precisão; (0, ,15817) m³ / Kg ( v 0,15817) m³ / Kg ( )º C ( )º C v 0,16402 m³ / Kg

34 Referências MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC