ESZO Fenômenos de Transporte

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC ESZO Fenômenos de Transporte Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto Bloco A, torre 1, sala 637

2 Propriedades Termodinâmicas

3 Propriedades Termodinâmicas Substâncias Puras; Estado da Matéria; Estado Termodinâmico; Mudança de Fase Diagrama; Título de uma Mistura; Tabelas Termodinâmicas; Modelo de Gás Ideal.

4 Propriedades Termodinâmicas Problema: Uma válvula de controle de vazão deve ser certificada através de um teste hidrodinâmico. Nas condições prescritas pelo cliente, esta válvula deve suportar uma temperatura de 180 C quando submetida ao escoamento de água no estado líquido. Você, como responsável técnico pelo setor, deve prover as condições técnicas mínimas necessárias à realização do mesmo. Como proceder?

5 Substância Pura

6 Substância Pura Possui uma composição química fixa em toda sua extensão. dióxido de carbono, CO 2 oxigênio, O 2 amônia, NH 3 hidrogênio, H 2 água, H 2 O

7 Substância Pura O ar é uma mistura de diversos gases, mas com frequência é considerado uma substância pura. Sua composição química é homogênea!

8 Substância Pura Cuidado: Mistura de gelo e água líquida é uma substância pura (ambas as fases têm a mesma composição química). Mistura de ar líquido e ar gasoso, porém, não é uma substância pura (composição do ar líquido é diferente da composição do ar gasoso).

9 Estado da Matéria Sólido Gasoso Líquido

10 Estado da Matéria GASOSO LÍQUIDO SÓLIDO Forças Intermoleculares! Quando uma substância funde ou entra em ebulição, forças intermoleculares são quebradas (não as ligações químicas).

11 Estado Termodinâmico

12 Estado Termodinâmico O estado de uma substância simples, em uma única fase (líquido, sólido ou gasoso) fica determinado por duas propriedades quaisquer, por exemplo: Pressão (P) e Temperatura (T) Pressão (P) e Volume Específico (v) Volume específico (v) e Temperatura (T) Partindo-se de duas propriedades pode-se determinar, por exemplo: Energia interna Entalpia Entropia

13 Estado Termodinâmico Número de variáveis independentes (N.V.I.) necessárias para caracterizar um estado termodinâmico: N. V. I. 3 número de fases Uma única fase (sólido, líquido ou gás): duas propriedades termodinâmicas. Duas fases (líquido e gás): uma propriedade termodinâmica. Três fases (sólido + líquido + gás): valores de todas as propriedades termodinâmicas são únicos (ponto triplo).

14 Mudança de Fase

15 Processo de Mudança de Fase ESTADO 1: água, H 2 O P = 100 kpa T = 20 C LÍQUIDO COMPRIMIDO A água não está pronta para se converter em vapor!

16 Processo de Mudança de Fase Transfere-se calor para água, elevando a temperatura para 40 C: aquecimento P = 100 kpa T = 20 C P = 100 kpa T = 40 C À medida que a temperatura se eleva, a água líquida se expande e seu volume específico aumenta.

17 Processo de Mudança de Fase ESTADO 2: P = 100 kpa T = 40 C LÍQUIDO COMPRIMIDO A água ainda não está pronta para se converter em vapor!

18 Processo de Mudança de Fase Transfere-se calor para água, elevando a temperatura para 100 C: aquecimento P = 100 kpa T = 40 C P = 100 kpa T = 100 C A água ainda é um líquido, mas qualquer adição de calor fará com que o líquido se converta em vapor.

19 Processo de Mudança de Fase ESTADO 3: P = 100 kpa T = 100 C LÍQUIDO SATURADO A água está pronta para se vaporizar!

20 Processo de Mudança de Fase Após o início da ebulição, a temperatura pára de subir até que o líquido se converta inteiramente em vapor. O cilindro-pistão está cheio de vapor no limite com a fase líquida e qualquer perda de calor fará com que parte se condense.

21 Processo de Mudança de Fase ESTADO 4: P = 100 kpa T = 100 C MISTURA LÍQUIDO-VAPOR SATURADA As fases líquida e vapor coexistem em equilíbrio!

22 Processo de Mudança de Fase ESTADO 5: P = 100 kpa T = 100 C VAPOR SATURADO Vapor saturado é um vapor que está pronto para condensar.

23 Processo de Mudança de Fase Transfere-se calor para água, elevando a temperatura para 300 C: aquecimento P = 100 kpa T = 100 C P = 100 kpa T = 300 C

24 Processo de Mudança de Fase ESTADO 6: P = 100 kpa T = 300 C VAPOR SUPERAQUECIDO É um vapor que não está pronto para se condensar.

25 Diagrama T v P = 100 kpa mistura saturada v, m 3 /kg

26 Diagrama T v PONTO CRÍTICO LÍQUIDO SATURADO VAPOR SATURADO Diagrama T v dos processos de mudança de fase, a pressão constante, para uma substância pura a diversas pressões.

27 Diagrama T v T PONTO CRÍTICO P 2 = cte (> P 1 ) P 1 = cte Líquido Comprimido Líquido-Vapor Saturados Vapor Superaquecido Linha de Vapor Saturado Linha de Líquido Saturado v

28 Diagrama P v PONTO CRÍTICO Líquido Comprimido Vapor Superaquecido Líquido-Vapor Saturados T 2 = cte (> P 1 ) T 1 = cte Linha de Líquido Saturado Linha de Vapor Saturado Diagrama P v de uma substância pura.

29 Mudança de Fase T 5 1) Líquido comprimido 2) Líquido saturado 3) Líquido + vapor (saturação) ) Vapor saturado 5) Vapor superaquecido 1 (1) (2) (3) v (4) (5) Q Q Q Q Q

30 Tabela Termodinâmica

31 Tabelas Termodinâmicas Tabela de Temperatura:

32 Tabelas Termodinâmicas Tabela de Pressão:

33 Identificação de Estados

34 Identificando o Estado Dados valores de Pressão (P): Consultar tabela de saturação da substância (pressão ou temperatura): se P = P sat P > P sat P < P sat mistura líquido + vapor líquido comprimido vapor superaquecido

35 Identificando o Estado Dados valores de Temperatura (T): Consultar tabela de saturação da substância (pressão ou temperatura): se T = T sat T < T sat T > T sat mistura líquido + vapor líquido comprimido vapor superaquecido

36 Identificando o Estado Dados valores de Pressão (P) ou Temperatura (T) e Volume Específico (v): Consultar tabela de saturação da substância (pressão ou temperatura): se v < v L v = v L v L < v < v V v = v v v > v v líquido comprimido líquido saturado mistura líquido + vapor vapor saturado vapor superaquecido

37 Título de uma Mistura

38 Título As quantidades relativas das fases líquido e vapor de uma mistura saturada são especificadas pelo título (x). 0 x 1 Líquido sat. P = 100 kpa Vapor sat. P = 100 kpa v l v v

39 Título P ou T Líquido Sat. v l Vapor Sat. v v v l v l < v < v v v v v

40 Título de uma Mistura Para uma substância pura em uma mistura líquido-vapor é necessário o uso do conceito de Título (x). x m m v t massa vapor presente na mistura massa total da mistura Onde: m t m v m l 0 x 1 m t massa total da mistura m v massa de vapor na mistura m l massa de líquido na mistura

41 Título de uma Mistura Considerando: L V T V V V m V v e sabendo que: tem-se: L L V V T T m v m v m v dividindo-se por T m tem-se: T L L T V V T T T m m v m m v m m v considerando: T V m m x tem-se: L V T v x 1 xv v Válido para qualquer propriedade termodinâmica na condição de saturação

42 Gás Ideal

43 Modelo de Gás Ideal Utilizado para representar o comportamento de substâncias puras no estado gasoso. Possui boa confiabilidade para gases a baixas densidades. Pode ser definido em base molar ou mássica.

44 Modelo de Gás Ideal A expressão para o modelo de gás ideal tem a forma: P T n V R PV nrt : pressão (kpa) : temperatura (K) : número de mols : volume (m 3 ) : constante universal dos gases (kj/kmol K) determinada experimentalmente

45 Modelo de Gás Ideal Em base mássica, temos: PV mrt m : massa (kg) R R MM : constante para um gás específico (kj/kg K) MM : massa molar da substância (kg/kmol)

46 Modelo de Gás Ideal Dependendo do estado termodinâmico a ser considerado, é necessário usar outros métodos para avaliação das propriedades termodinâmicas de um gás. Diagrama Generalizado de Compressibilidade Equações de Estado

47 Modelo de Gás Ideal Diagrama de Generalizado de Compressibilidade: O método utiliza uma variável de correção (Z): T r P r T T P P C C PV ZmRT 0 Z 1 Temperatura reduzida (função da temperatura crítica) Pressão reduzida (função da pressão crítica)

48 Diagrama xx Pressão reduzida P R

49 Equações de Estado Equação de van der Walls: P RT v b a 2 v onde: a b RT 8P R C C 2 P T C 2 C Equação de Redlich e Kwong: RT P v b v a 0, 5 v bt onde: a 0,42748 b 0,08664 R 2 T P RT P C C C 2,5 C

50 Equações de Estado 2 v o o o e v 1 T v c v a v a RTb v T / C A RTB v RT P Equação de Bennedict, Webb e Rubin:

51 O vapor d água é uma gás ideal?

52 Gás Ideal Erro percentual ao aplicar a hipótese de gás ideal para o vapor de água e a região na qual o vapor de água pode ser considerado um gás ideal (erro <1%).

53 Exercícios