Questões - Balanço de Massa 2022 1

Questão 1 (valor total da questão ****): Responda o que se pede sobre os sistemas a seguir. Justifique sua resposta com cálculos (sem justificativa a resposta não será considerada): a) Água a 185° C com volume específico de 0,0830 m³/kg: qual o estado físico e o título, se houver? (valor do item: 0,10 ponto) b) R134 a 1890 kPa e entalpia específica de 250 kJ/kg: qual o estado físico e o título, se houver? (valor do item: 0,10 ponto) c) Amônia a 600 kPa e com energia interna específica de 1420 kJ/kg: qual a temperatura e o título, se houver? (valor do item: 0,10 ponto) Um sistema cilindro-pistão contém água a 400° C e 1000 kPa, que é submetida a dois processos consecutivos, descritos a seguir: Processo 1-2: a água é resfriada à medida em que ocorre compressão, até o estado de vapor saturado. Processo 2-3: a água é então resfriada a volume constante até 150° C. Pergunta-se: a) Esboce os 2 processos no diagrama TV da água. Use o diagrama fornecido para desenhar tal esboço. (valor do item: 0,20 ponto) b) Como seria o esboço dos processos num diagrama PV? (valor do item: 0,20 ponto) c) Calcule o trabalho envolvido no processo global. (valor do item: 0,40 ponto) d) Calcule o calor envolvido no processo global. (valor do item: 0,40 ponto) 1) a) Da tabela B.l.1 [Com Wyslan], observamos que os valores do volume específico do líquido e do vapor saturado, à T = 185°C, são: Vliq_SAT = 0,001134 m³/kg Vvap_SAT = 0,17409 m³/kg Como o volume específico dado (V=0,0830 m³/kg) está contido entre o intervalo de líquido e vapor saturado, então, nessas condições, a água está como uma mistura de líquido-vapor. O título x: x = V - Vliq_SAT / Vvap_SAT - Vliq_SAT -> x = 0,083-0,001134 / 0,17409 - 0,001134 x = 0,473 b) De partir da tabela B.5.1 [Van Wylen], passou-se e observar que, em T=65°C, Psat=1888,9 kPa veio 7380 kPa. Como a entalpia do líquido saturado nessa P é maior que a entalpia dada (h=250 kJ/kg), então, por as condições descritas, o R134a está na região de líquido comprimido/subresfriado. c) Da tabela B.2.2 [Van Wylen], observa-se que na saturação, em P=600 kPa, Usat=1325,2 kJ/kg Como a energia interna dada é maior do que a de saturação, então a amônia é vapor superaquecido 2) Estado 1 T=400°C P=3000 kPa Estado 2 Vapor saturado Estado 3 V3=V2 T=150°C Da tabela B.1.3 [Van Wylen]: Vg=0,30659 m³/kg U1=2957,29 kJ/kg IMPORTANTE: Não há dados suficientes para resolver a questão, pois precisamos de, ao menos, uma propriedade do Estado 2 para encontrar os demais dados que nos permitam esboçar o processo 1->2, além de calcular W e Q do processo global, já que V3 depende de P2 para ser determinado. É possível argumentar isso com o professor, a fim de anular a questão. Entretanto, encontre a mesma questão na internet que, no enunciado, descreve que 1->2 acontece a pressão constante, de forma que seria possível resolver o problema com essa informação, logo vou considerar que P2=P3. Da tabela B.5.3: Vg2=0,19444 m³/kg T2=179,9°C Da tabela B.1.1, observamos que V3 está entre Vliq_sat e Vvap_sat para T=150°C. Dessa forma, precisamos encontrar o título, para determinar u3: X3=V3-Vliq_sat \over Vvap_sat-Vliq_sat X3=0,19444-0,001090 \over 0,39278-0,001090 X3=0,4935 Assim: U3=X3.Uvap_sat+(1-X3).Uliq_sat U3 = 0,4935.2559,54 + (1-0,4935.6311,66 U3 = 1583,07 kJ (T) (°C) a) 400 1 MPa 1 u2-u3 u1 (um3/kg) P b) u2-u3 u1 1 T1 = 400°C T3 = 179,9°C 5 c) Como o processo 2->3 ocorre a volume constante, então só há trabalho no processo 1->2: W_total = -∫ P.dv - ∫ P.dv 1->2 3->0 1 W_total = -P1 (v2-v1) W_total = -1000.(0,19444 - 0,30659) 1 W_total = +112,15 kJ/kg O sinal indica que o trabalho é realizado sobre o sistema d) Considerando o estado estacionário, o balanço de energia fica: Q_total + W_total = ΔU1+3 Q_total = (U3-U1) - W_total 6 Q_total = (1583,07 - 2957,29) - 112,15 1 Q_total = -1486,37 kJ/kg 7