EM34F Termodinâmica A

EM34F Termodinâmica A Prof. Dr. André Damiani Rocha arocha@utfpr.edu.br Propriedades

2 Fase e Substância Pura Fase: refere-se a uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo, tanto em composição química como em estrutura física. Homogeneidade: em estrutura física significa que a matéria é toda sólida, toda líquida ou toda vapor. Um sistema pode conter uma ou mais fases!

3 Fase e Substância Pura Substância Pura: É uma substância cuja composição química é uniforme e invariável. Pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em cada fase. Exemplo: água líquida e vapor d água

4 Estado Termodinâmico O estado de um sistema fechado em equilíbrio é sua condição como descrita por valores de suas propriedades termodinâmicas; O estado é estabelecido por valores das propriedades independentes

5 Relação p-v-t Propriedades de substâncias puras simples compressíveis e a relação entre essas propriedades com a pressão, o volume específico e a temperatura. Evidência experimental: temperatura e volume específico podem ser considerados independentes. Assim, p = p T, v

6 Superfície p-v-t Superfície p-v-t (Água) Expansão durante a solidificação;

7 Superfície p-v-t Superfície p-v-t De uma substância que se contrai durante a solidificação; A maioria das substâncias exibe esse comportamento;

8 Superfície p-v-t Regiões Regiões Monofásicas: o estado é determinado por quaisquer duas das seguintes propriedades: pressão, volume específico e temperatura; Regiões Bifásicas: duas fases coexistem em equilíbrio: líquido-vapor, sólido-líquido e sólido-vapor. Nessas regiões, pressão e temperatura não são independentes;

9 Superfície p-v-t Regiões O estado no qual uma mudança de fase começa ou termina é denominado estado de saturação; A região em formato de sino composta pelos estados bifásicos líquido-vapor é chamada de domo de vapor; As linhas que definem o contorno do domo de vapor são denominados linhas de líquido saturado e de vapor saturado.

10 Superfície p-v-t Regiões O topo do domo, onde as linhas de líquido e de vapor saturados se encontra é denominado ponto crítico; A temperatura crítica, T C, de uma substância pura corresponde à temperatura máxima na qual as fases líquida e de vapor podem coexistir em equilíbrio. A pressão no ponto crítico é denominada pressão crítica, p C.

11 Projeções da Superfície p-v-t Diagrama p-v Projetar a superfície p-v-t sobre o plano pressão-volume específico resultado no diagrama p-v.

12 Projeções da Superfície p-v-t Diagrama T-v Projetar as regiões de líquido, bifásica líquido-vapor e de vapor da superfície p-v-t sobre o plano temperaturavolume específico obtém-se um diagrama T-v.

13 Mudança de Fase Considere como sistema a água contida no conjunto êmbolo-pistão:

14 Mudança de Fase 300 T, o C Isobaric process P = 1 atm 5 100 2 Saturated mixture 3 4 20 1 v

15 Mudança de Fase T sat Temperatura na qual ocorre mudança de fase para uma dada pressão; P sat Pressão na qual ocorre a mudança de fase para uma dada temperatura; Exemplo: p = 1atm = 101.3 kpa, p = 500 kpa, T = 100 C T = 151.9 C

16 Mistura bifásica líquido-vapor As misturas bifásicas líquido-vapor podem ser distinguidas entre si pelo título. O título (quality) é uma propriedade intensiva; Para uma mistura bifásica líquido-vapor, o título é a razão entre a massa de vapor presente e a massa total da mistura, x = m vapor m líquido + m vapor

17 Mistura bifásica líquido-vapor O título (x) representa a fração de massa de vapor; Seu valor varia entre 0 e 1 (0 x 1); x = m vapor m líquido + m vapor x = 0 Líquido Saturado x = 1 Vapor Saturado

18 Mistura bifásica líquido-vapor Como na região de saturação, todo o líquido está na situação de líquido saturado e todo vapor está na situação de vapor saturado, liq = m liq v liq v = m = liq m + vap m vap = m vap v vap v = v liqm liq m + v vapm vap m v = 1 x v liq + xv vap

19 Tabelas de Líquido e de Vapor As propriedades do vapor d água estão listadas nas tabelas/apêndices dos livros de termodinâmica; Saber utilizar as tabelas é essencial para o curso; Em muitas situações, será necessário aplicar a interpolação para obter os dados, TL T vl v T T v v H L H L

20 Exemplo 01: Utilizando as tabelas de água, determine os estados: a) P=1,0 MPa; T=207 ºC b) P=1,0 MPa; T=107,5 ºC c) P=1,0 MPa; T=179,91 ºC; x=0,0 d) P=1,0 MPa; T=179,91 ºC; x=0,45 e) T=340 ºC; P=21,0 MPa f) T=340 ºC; P=2,1 MPa g) T=340 ºC; P=14,586 MPa; x=1,0 h) T=500 ºC; P=25 MPa i) P=50 MPa; T=25 ºC

21 Exemplo 02: Considerando a água como fluido de trabalho, complete a tabela. P (MPa) T( o C) v (m 3 /kg) x (se aplicável) 300 1,0 0,15 0,65 0,50 300

22 Exemplo 02: Solução P (MPa) T( o C) v (m 3 /kg) x (se aplicável) 8.5810 300 0.02167 1,0 0,15 111,37 0,65 0.56 0,50 300 0.52256 Não se Aplica

23 Exemplo 03: Inicialmente uma amostra de água se encontra a 120 C e apresente título igual a 25%. A temperatura da amostra é aumentada para 140 C num processo onde o volume é constante. Determine a pressão e o título no estado final desse processo. Resolução no Quadro

24 Exemplo 04: Um tanque rígido contém 50kg de água líquida saturada a 90 C. Determine a pressão e o volume do tanque. A partir da tabela de água saturada, P = 70,14kPa O volume específico do líquido saturado a 90 o C é, 3 v vl 0,001036m / kg Então, o volume total do tanque resulta, V mv ( 50)(0,001036) 0,0518m 3

25 Referências MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 681 p.