Termodinamica Aplicada - Mudancas de Estado e Teoria dos Gases - Lista de Exercicios

TERMODINÂMICA APLICADA Aula 4 Mudanças de estado e Teoria dos gases Curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia Profa Valéria C R Sarnighausen CONTEÚDO DA AULA 1Discussão atividade pontuada Resgate de conceitos Interpolação 2Equação de Estado e Gás ideal 3Fator de compressibilidade 4Psicrometria Carta Psicrométrica Instruções Para cada uma das situações abaixo responda às seguintes perguntas além das que estão especificadas em cada problema 1 Determine o estado da água líquido comprimido líquido saturado mistura saturada vapor saturado ou vapor superaquecido 2 Calcule as grandezas termodinâmicas que faltam para caracterizar completamente o estado e o que for pedido em cada item 3 Faça um esboço do ponto no diagrama de fase Pv ou Tv pressão versus volume especifico ou temperatura versus volume específico Problema 1 Um dispositivo de pistãocilindro contém 2kg de água a uma pressão de 100kPa A temperatura é de 50C Qual seu volume específico Problema 2 Um vaso de 05m³ contém vapor e líquido de água a uma pressão de 200kPa O título é de 60 Qual é o valor da energia interna especifica resultante da mistura Problema 3 Vapor de água flui por uma tubulação A pressão é de 12MPa e a temperatura é de 400C Determine volume específico e sua entalpia Problema 4 Um pistãocilindro contém água líquida saturada a 250C O sistema recebe calor uma pressão constante até que o volume específico seja 002m³kg Qual a temperatura final e o estado da água Problema 5 Um recipiente contém água em um estado onde a pressão é 08MPa e o volume específico é 0211m³kg Determine a temperatura e a entalpia Resgate de conceitos 1 Líquidos incompressíveis não dependem da P somente da T 2 Mistura saturada totalmente dependente da P e T 3 Vapor saturado depende da T 4 Vapor superaquecido depende da T Questões relacionadas a interpolação 17 Um quilo de água enche um recipiente rígido de 150 L a uma pressão inicial de 2 MPa O recipiente é então resfriado para 40 ºC Determine a temperatura inicial e a pressão final da água vm³kg T 009959 21238 010381 225 01115 250 012551 300 01386 350 015122 400 017568 500 019962 600 022326 700 024674 800 027012 900 029342 1000 031667 1100 033989 1200 036308 1300 T x vm³kg y 41563x 2194 R² 09994 EQUAÇÃO DOS GASES IDEAIS EQUAÇÃO DE ESTADO P v R T FATOR DE COMPRESSIBILIDADE UMA MEDIDA DO DESVIO DO COMPORTAMENTO DE GÁS IDEAL FIGURA 348 O fator de compressibilidade é igual a 1 para os gases ideais FIGURA 347 Erro percentual vtabela videal vtabela x 100 ao se aplicar a hipótese de gás ideal para o vapor de água e a região na qual o vapor pode ser considerado um gás ideal com menos de 1 de erro Pressão e Temperaturas Reduzidas FIGURA 350 A pressões muito baixas todos os gases se aproximam do comportamento de gás ideal independentemente de sua temperatura FIGURA 351 Gases se desviam do comportamento de gás ideal à medida que se aproximam da vizinhança do ponto crítico 1 A pressões muito baixas PR 1 os gases se comportam como gases ideais independentemente da temperatura Fig 350 2 A temperaturas altas TR 2 o comportamento de gás ideal pode ser admitido com boa exatidão independentemente da pressão exceto quando PR 1 3 O desvio de comportamento de gás ideal é maior na vizinhança do ponto crítico Fig 351 Legenda x Metano Isopentano o Etileno o nHeptano Etano Nitrogênio o Propano Θ Dióxido de carbono nButano Água Curvas médias baseadas em dados para hidrocarbonetos Podemos aproximar o ar e o dióxido de carbono como gases ideais nas condições de 20C e Pressão de 101325 kPa Da lista acima há alguma substância que não pode ser aproximada a um gás ideal nas mesmas condições relatadas PSICROMETRIA Estuda as propriedades termodinâmicas do ar úmido ou seja a mistura de ar seco e vapor dágua Seu principal objetivo é analisar e quantificar as condições do ar para entender como ele se comporta em diferentes processos como aquecimento resfriamento umidificação e desumidificação Engenharia Química e de Processos Em indústrias químicas e de alimentos a psicrometria é usada para secagem de produtos controle de umidade em processos de produção e purificação de gases ASHRAE Psychrometric Chart No 1 Normal Temperature Barometric Pressure 101325 kPa 1992 American Society of Heating Refrigerating and AirConditioning Engineers Inc Sea Level Sensible heat Total heat Enthalpy Humidity ratio Dry bulb temperature C O ar pode comportar apenas certa quantidade de vapor de água sem que haja condensação e isso também é chamado de pressão de saturação Essa pressão de saturação depende da Temperatura do ar A quantidade de umidade no ar é especificada completamente pela temperatura e pela umidade relativa e a pressão do vapor está relacionada à umidade relativa ϕ por Pv ϕPsat T onde Psat T é a pressão de saturação da água à temperatura T Por exemplo a pressão de vapor do ar a 25 C e 60 de umidade relativa é Pv ϕPsat 25 C 06 317 kPa 190 kPa Evaporação efeito de resfriamento da água e portanto reduz sua temperatura por isso é que em épocas muito secas e quentes a água se mostra com temperatura inferior ao ar ao seu redor Ocorre na interface líquidovapor POR QUAL RAZÃO A ÁGUA EVAPORA A 25C SUPERFÍCIE DE UM LAGO Temperatura de bulbo úmido Indicador de sensação térmica conforto térmico Potencial de evaporação da água e redução de temperatura Princípio de funcionamento dos psicrômetros Quanto maior a diferença entre TBS e TBU menor será a umidade relativa Equação psicrométrica P pressão atmosférica local A coeficiente psicrométrico ajuste em termos de ventilação A 000067 1C ventilação forçada A 0074 1C ventilação natural Temperatura de bulbo úmido Cálculo da Temperatura de ponto de orvalho Para a Equação de Tétens Tar To Condições 1 Redução da T a Pressão constante 2 Aumento da pressão de vapor 3 Efeito orográfico subida forçada de massa de ar úmido resfriamento adiabático 4 Encontro de massas de ar frio ASHRAE Psychrometric Chart No 1 Normal Temperature Barometric Pressure 101325 kPa 1992 American Society of Heating Refrigerating and AirConditioning Engineers Inc Sea Level Sensible heat Total heat Enthalpy Humidity ratio Dry bulb temperature C Linhas da Carta Psicrométrica TEMP BULBO SECOC UMIDADE RELATIVA TEMPBULBO UMIDOC Linhas de ponto de orvalho Ponto de orvalho VOLUME ESPECIFICO m kg DE AR SECO RAZAO DE UMIDADE kg DE VAPOR kg DE AR SECO ENTALPIA kJkg DE AR SECO HTTPSWWWFLYCARPETNETENPSYONLINE Exemplo 1 Processo de Resfriamento uso da carta psicrométrica Ar ambiente entra em um aparelho de arcondicionado nas seguintes condições Estado 1 Entrada Temperatura de Bulbo Seco TBS1 30C Umidade Relativa UR1 60 O ar é resfriado e desumidificado até que suas condições de saída sejam Estado 2 Saída Temperatura de Bulbo Seco TBS2 15C Umidade Relativa UR2 90 Determine 1A temperatura de bulbo úmido e a de ponto de orvalho para os estados 1 e 2 2A razão entre o calor sensível e o calor total do processo Exemplo 2 Processo de Aquecimento Ar frio e úmido é puxado para uma estufa aquecida Estado 1 Entrada o Temperatura de Bulbo Seco TBS1 10C o Umidade Relativa UR1 95 O ar é aquecido a uma razão de umidade constante até que sua temperatura atinja Estado 2 Saída o Temperatura de Bulbo Seco TBS2 25C Determine 1 A temperatura de bulbo úmido e a de ponto de orvalho para os estados 1 e 2 2 A razão entre o calor sensível e o calor total SHR do processo Exemplo 3 Processo de Resfriamento e Desumidificação Um ambiente com arcondicionado opera com as seguintes condições de ar de entrada e saída Estado 1 Entrada Temperatura de Bulbo Seco TBS1 32C Umidade Relativa UR1 70 O ar é resfriado e desumidificado até atingir o seguinte estado de saída Estado 2 Saída Temperatura de Bulbo Seco TBS2 18C Umidade Relativa UR2 95 Determine A temperatura de bulbo úmido e a de ponto de orvalho para os estados 1 e 2 A razão entre o calor sensível e o calor total do processo