Disciplina: Sistemas Térmicos

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1 Disciplina: Sistemas Térmicos

2 Definição de Substância Pura Equilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura Diagrama de Temperatura versus Volume Específico Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Substâncias Puras Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Água Saturada Relação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor Comportamento Termodinâmico de Gases Ideais

3 Definição de Substância Pura Uma substância pura é uma substância que tem composição química invariável e homogênea; A substância pode existir em mais de uma fase simultaneamente, como nas fases sólida, líquida e gasosa, mas a composição química é a mesma em todas as fases; Por exemplo, uma mistura de água líquida e vapor d água, ou a mistura de gelo e água líquida, são substâncias puras, pois em cada fase a composição química da água não muda: duas moléculas de hidrogênio e uma molécula de oxigênio; Em alguns casos de mistura de gases, tal como misturas envolvendo o ar, a mistura é considerada uma substância pura desde que não haja mudança de fase.

5 Equilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura Para o sistema fechado cilindro-êmbolo livre, contento inicialmente água liquida, como mostrado no detalhe (a) da figura, supondo que a massa seja de 1kg, a pressão inicial seja de 100 kpa e a temperatura 20 C:

6 Equilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura Na medida em que se introduz calor à água dentro do cilindro, a temperatura dentro do cilindro tende a aumentar consideravelmente; No momento em que a temperatura do líquido atinge 99,6 C, começa a ocorrer a mudança de fase de líquido para vapor, visto que essa é a temperatura de evaporação da água para uma pressão de 100kPa; Para qualquer calor adicional transferido ao cilindro, ocorrerá a presença de duas fases simultâneas no cilindro, líquido e vapor, como mostrado no detalhe (b) da figura anterior; Como o êmbolo é livre para movimentar-se, o volume do cilindro aumentará progressivamente, e consequentemente o volume específico da mistura aumentará (entretanto, a massa da mistura permanece constante visto que o sistema é fechado);

7 Equilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura Durante o processo de evaporação do líquido, a temperatura dentro do cilindro permanece constante; Dessa forma, o processo ocorre de forma isotérmica e isobárica simultaneamente (entretanto, o volume continua aumentando); No momento em que a última gota de líquido tiver evaporado, qualquer calor transferido ao cilindro provocará um aumento da temperatura do vapor presente dentro do cilindro; A temperatura na qual ocorre a evaporação de uma substância líquida, em uma dada pressão, é chamada de temperatura de saturação e essa temperatura é única para a dada pressão considerada; O comportamento do volume específico em função da temperatura e da pressão de uma dada sustância pura é expresso através de um diagrama.

9 Diagrama de Temperatura versus Volume Específico O diagrama temperatura versus volume específico, de uma substância pura, corresponde a um gráfico que apresenta os limites de saturação de fase líquida e de fase de vapor de uma substância, delimitando uma região de saturação para a substância pura; No diagrama é apresentado dois limites para a região de saturação: uma linha de líquido saturado e uma linha de vapor saturado; O diagrama apresenta também linhas de pressão constante, ou seja, linhas isobáricas dentro e fora da região de saturação da substância; Quando as propriedades da substância definem um ponto no diagrama sobre a linha de líquido saturado, a substância é dita líquido saturado; Quando as propriedades da substância definem um ponto no diagrama sobre a linha de vapor saturado, a substância é dita vapor saturado;

10 Diagrama de Temperatura versus Volume Específico

11 Diagrama de Temperatura versus Volume Específico Se uma substância existe como líquido na temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, ela é chamada de líquido saturado; Quando a temperatura do líquido é menor do que a temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, a substância é chamada de líquido comprimido líquido comprimido; Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, ela é chamada de vapor saturado; Quando a temperatura do vapor é maior do que a temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, a substância é chamada de vapor superaquecido; O ponto de inflexão nula sobre as linhas de líquido saturado e vapor saturado é chamado ponto crítico da substância.

12 Diagrama de Temperatura versus Volume Específico O ponto crítico de uma substância é estado termodinâmico onde os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos; A tabela abaixo apresenta os valores críticos das propriedades termodinâmicas de algumas substâncias:

22 Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor No processo de evaporação de uma substância pura, a substância vai de um estado inicial onde a fase é completamente líquido até um estado final onde a fase é completamente vapor; Durante a evaporação, o volume específico da substância varia de acordo com o processo de mudança de fase, de líquido para vapor, apresentando valores entre o volume específico de líquido saturado e o volume específico de vapor saturado; O valor do volume específico da substância durante a saturação é denominada volume específico médio de saturação; O volume específico médio de saturação é calculado através de um parâmetro matemático que correlaciona o volume específico de vapor saturado e o volume de líquido saturado, denominado título;

23 Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor O título de uma substância pura em processo de evaporação, em uma dada pressão e temperatura de saturação, corresponde a razão entre a massa de vapor e a massa total da substância, expressa por x; Dessa forma, para o conjunto cilindro-êmbolo mostrado anteriormente durante a evaporação, mostrada no detalhe (b) da figura, se a massa de vapor for de 0,2kg, sendo a massa total de 1kg, o título é de 0,2 ou 20%; Utilizando o diagrama de temperatura versus volume específico é possível obter uma relação matematicamente para o título; Nesse caso, o título da substância saturada em evaporação corresponde a razão entre a diferença dos volumes específicos médio e de líquido saturado e a diferença entre os volumes específicos de vapor saturado e líquido saturado;

24 Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor Matematicamente, o título de uma substância pura em evaporação é dado pela relação: Pela expressão acima é possível ainda obter uma relação para o volume específico médio em função dos volumes de saturação e do título: Onde n é o volume específico médio, nl é o volume específico de líquido saturado e nv é o volume específico de vapor saturado, todos em unidade m³/kg.

25 Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor

27 Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Substâncias Puras Para correlacionar o volume específico do liquido saturado e do vapor saturado de uma substância pura, em função da temperatura de saturação e da pressão da substância durante a saturação, comumente utilizam-se tabelas de propriedades termodinâmicas de vapor; As tabelas de vapor são basicamente de dois tipos: uma relacionando as propriedades do vapor em função da temperatura de saturação, e outra relacionado as propriedades com a pressão durante a saturação; Ambas as tabelas fornecem o volume específico do líquido saturado (nl) e o volume específico do vapor saturado (nv), em função das temperaturas de saturação e pressão durante a saturação; Além dos volumes específicos, essas tabelas apresentam outras propriedades termodinâmicas, como a energia interna, entalpia e entropia.

29 Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Água Saturada

30 Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Água Saturada

32 Relação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor 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 superaquecida em função da temperatura Tabela B.3 Propriedades Termodinâmicas do Dióxido de Carbono B.3.1 Dióxido de Carbono saturado em função da temperatura B.3.2 Dióxido de Carbono superaquecido em função da temperatura

33 Relação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor Tabela B.4 Propriedades Termodinâmicas do R-410A B.4.1 R-410A saturado em função da temperatura B.4.2 R-410A superaquecido em função da temperatura Tabela B.5 Propriedades Termodinâmicas do Refrigerante R-134a B.5.1 R-134a saturado em função da temperatura B.5.2 R-134a superaquecido em função da temperatura Tabela B.6 Propriedades Termodinâmicas do Nitrogênio B.6.1 Nitrogênio saturado em função da temperatura B.6.2 Nitrogênio superaquecido em função da temperatura

34 Exemplos Exemplo 1. Calcular o volume específico médio e a pressão da água saturada na temperatura de saturação de 150 C e título de 70%. Exemplo 2. Calcular o volume específico médio e a temperatura de saturação da água saturada na pressão de 250kPa e título de 80%. Exemplo 3. Calcular o título e a pressão da água saturada na temperatura de 300 C com volume específico médio de 0,005m³/kg. Exemplo 4. Calcular o título e a temperatura de saturação da água saturada na pressão de 1200kPa e volume específico de 0,08m³/kg. Exemplo 5. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 400 C na pressão de 2,5MPa.

35 Exemplos Exemplo 6. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 100 C na pressão de 5MPa. Exemplo 7. Calcular o volume específico médio e a pressão da água saturada na temperatura de 63 C e título de 85%. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada. Exemplo 8. Calcular o volume específico médio e a temperatura de saturação da água saturada na pressão de 12200kPa e título de 80%. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada. Exemplo 9. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 20000kPa e 630 C. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada. Exemplo 10. Um vaso rígido fechado contém vapor saturado de amônia a 20 C. Transfere-se calor para o sistema até que a temperatura atinja 40 C. Determine a pressão final.

37 Comportamento Termodinâmico de Gases Ideais Uma das formas de acúmulo de energia a nível molecular de uma substância é a energia potencial intermolecular, a qual esta relacionada com as forças que atuam sobre as moléculas; De uma forma geral, a energia potencial intermolecular pode ser desprezada quando a massa específica da substância é muito pequena (e consequentemente, o volume específico é muito grande), devido a grande distância entre as moléculas da substância; Nessa condição a substância é chamado de fluído gás ideal; A partir de observações experimentais verificou-se que o comportamento de correlação pressão-volume-temperatura dos gases com massas específica muito pequenas é dado, com boa precisão, pela equação de estado dos gases ideais;

38 Comportamento Termodinâmico de Gases Ideais A equação de estado para um gás ideal correlaciona a pressão absoluta do gás e o volume específico do gás com a temperatura absoluta do gás, em função da constante do gás ideal, por: ou Onde: P - pressão absoluta do gás ideal [kpa]; n - volume específico do gás ideal [m³/kg]; T - temperatura absoluta do gás ideal [K]; R - constante do gás ideal [kj/kg.k]; V - volume do gás ideal [m3]; m - massa do gás ideal [kg];

39 Comportamento Termodinâmico de Gases Ideais A constante do gás ideal é uma propriedade termodinâmica que varia para diferentes tipos de gases, em função das constante universal dos gases ideais e da massa molar M do gás: A constante universal dos gases ideais é igual a 8,314 kj/kmol.k; A massa molar do gás ideal deve ser apresentada em unidade kg/kmol; Os valores de constantes do gás ideal para diferentes gases são apresentados na Tabela A.5.

40 Exemplos Exemplo 11. Calcular a massa de ar contida dentro de uma sala com dimensões de 6m de altura, 10m de comprimento e 4m de largura quando a pressão é de 100kPa e a temperatura é de 25 C. Admita que o ar se comporte como um gás ideal. Exemplo 12. Calcular a pressão de um tanque com capacidade de 0,5m³, que contém 10kg de um gás a 25 C com massa molar de 24kg/kmol. Admita que o gás se comporte como um gás ideal.