Diagramas termodinâmicos e Propriedades das substâncias. Prof. Bogdan

Transcrição

1 Diagramas termodinâmicos e Propriedades das substâncias Prof. Bogdan

2 Objetivos Apresentar relações de propriedades relevantes à Termodinâmica voltada para a engenharia; Utilizar as propriedades e relações apresentadas no balanço de energia para sistemas fechados.

3 Fase Quantidade de matéria homogênea 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 Separação das fases fronteira facilmente identificável.

4

5 Substância pura Composição química uniforme e invariável. Pode existir em mais de uma fase Mas a composição química deve ser a mesma em cada uma das fases Ex.: Mistura uniforme de gases (forma gasosa) H 2 O líquido + H 2 O vapor Mistura de vários elementos químicos, contanto que seja homogênea (ex. ar)

6 Substância pura Substância pura Não é substância pura

7 Estado É a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades; Nem todas as propriedades são independentes entre si; Pode ser determinado pelo estabelecimento das propriedades independentes.

8 Sistemas compressíveis simples Onde existe somente uma forma pela qual a energia do sistema pode ser significativamente alterada por trabalho; Forma de alterar a energia de sistemas compressíveis simples: processos de mudança de volume trabalho pdv

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

10 Região P-V-T Com expansão na solidificação Com contração na solidificação

11 Características na superfície P-V-T

12 Projeções do diagrama de fases Com expansão na solidificação Diagrama P-T Com contração na solidificação As linhas representam as regiões bifásicas. Cada ponto nas linhas permite observar a Temperatura e Pressão de Saturação.

13 Mudança de fase substância pura Fusão Vaporização Sublimação

14 Diagrama P-V

15 Para T<Tc : mudança de fase com P constante; Para T>Tc : p diminui quando v aumenta Para T=Tc : Ponto de inflexão Diagrama P-V

16 Diagrama T-V

17 Mudança de fase substâncias puras

18 Mudança de fase substâncias puras 1kg de água a 20ºC e p = 1,014 bar; Estado denominado líquido subresfriado está abaixo da temperatura de saturação; Ou líquido comprimido, pois tem pressão maior que de saturação, naquela temperatura.

19 Mudança de fase substâncias puras Aquecendo o líquido, mantendo P cte, alcança-se o ponto de Líquido saturado; Após isso é verificada mudança de fase à T cte, até todo o líquido vaporizar e alcança-se o ponto de vapor saturado;

20 Mudança de fase substâncias puras Durante o processo de mudança de fase as fases de líquido-saturado e vapor saturado coexistem e suas quantidades são relacionadas pelo título.

21 Mudança de fase substâncias puras 1kg de água, 120ºC e P = 1,014 bar; Estado denominado Vapor superaquecido; Estão acima da temperatura de saturação naquela pressão; Estados acima da pressão crítica Termos vapor e líquido perdem significado.

22 Mudança de fase substância pura

23 Várias formas tabelas, gráficos, equações programas de computador; Propriedades da água Obtendo propriedades Termodinâmicas Tabelas termodinâmicas A-2 a A-6 (Moran e Shapiro), Também denominadas tabelas de vapor; Denominação Apêndice do livro Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 4ª/5ª Edição.

24

25 Pressão, Volume específico e Temperatura Pressão e temperatura propriedades independentes nas regiões monofásicas de líquido e de vapor; Por isso, com essas duas propriedades É possível encontrar outras; Tabela A-4 tabela de água como vapor superaquecido; Tabela A-5 tabela de água como líquido comprimido.

26 Exemplo 1: Vapor superaquecido Água na forma de vapor superaquecido a 4 MPa e 600ºC, Da tabela A-4: Encontrar T sat e volume esp. T sat = 250,40 ºC v = 0,09885 m³/kg

27 Exemplo 2: Líquido comprimido Água na forma de líquido comprimido a 5 MPa e 80ºC, tabela A-5: Encontrar T sat e volume específico

28 Exemplo 3: Interpolação linear Água na forma de vapor superaquecido a 4 MPa e 610 ºC, tabela A-4: Não há esta temperatura Interpolação linear Valor de volume específico

29 v fg diferença entre v f e v g (v fg = v g - v f ) Tabelas A-2 e A-3 Tabelas de saturação valores de propriedades para os estados de líquido saturado e de vapor saturado; Valores de propriedades para esses estados subscritos f (líquido) e g (vapor); h fg entalpia de vaporização (ou calor latente de vaporização) Quantidade de energia para vaporizar uma unidade de massa de líquido saturado (T e P) Diminui com o aumento da temperatura e pressão e é zero no ponto crítico. Tabela A-2 Tabela de Temperatura; Tabela A-3 Tabela de Pressão.

30 Exemplo 4: Água no estado bifásico (líquido-vapor) à 150 ºC, Tabela A-2/ Determinar P sat e Volume específico P sat = 4,758 bar v f =0, m³/kg v g =0,3928 m³/kg

31 Utilizando o Título Volume específico de uma mistura bifásica determinado por tabelas de saturação e pela definição de título;

32 Exemplo 5: Título Água à 100 bar e título igual a 0,9 Tabela A-3:

33 Usando Diagramas T-v e P-v Para a facilitar a localização dos estados nas tabelas utilizar os diagramas T-v e p-v; Se é dada uma T ou P para um certo estado (da água) desenha-se o diagrama e anotam-se os valores de vf e vg; Se o v do estado é: v < vf, é líquido comprimido, tabela A-5; vf < v < vg, é mistura bifásica, tabela A-2 ou A-3; v > vg, é vapor superaquecido, tabela A-4.

34 Como reconhecer o estado de uma Para energia interna (u): Se u u f = líquido comprimido substância? Se u f u u g = mistura saturada Se u u g = vapor superaquecido Idem p/ volume específico (v) e entalpia (h). Para temperatura: Se T T sat = líquido comprimido Se T = T sat = mistura saturada Se T T sat = vapor superaquecido Para pressão: Se P P sat = líquido comprimido Se P= P sat = mistura saturada Se P P sat = vapor superaquecido

35 Exemplo 6: Distinguindo fases Água a 80ºC e três valores de V específicos: v1 = 0, m³/kg v2 = 2,025 m³/kg v3 = 3,710 m³/kg Tabela A2: v f = 0, m³/kg v g = 3,407 m³/kg Desenhando o diagrama T-v:

36 80 ºC Exemplo 6 Distinguindo fases Água a 80ºC e três valores de V específicos: v1 = 0, m³/kg v2 = 2,025 m³/kg v3 = 3,710 m³/kg Tabela A2: v f = 0, m³/kg v g = 3,407 m³/kg Desenhando o diagrama T-v: v1 Líquido comprimido Mistura bifásica v f = 0, m³/kg v2 Vapor superaquecido v3 v g = 3,407 m³/kg

37