Termodinamica Aplicada - Propriedades das Substâncias Puras

TERMODINÂMICA APLICADA Aula 3 Propriedade das substâncias Puras Curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia Profa Valéria C R Sarnighausen CONTEÚDO DA AULA 1Definição de substância pura 2Processos de mudança de fase 3Diagramas de propriedades 4Tabelas de saturação O que é uma substância pura SUBSTÂNCIAS PURAS SÃO MATERIAIS QUE POSSUEM COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PROPRIEDADES FÍSICAS CONSTANTES E NÃO SE MODIFICAM EM PRESSÃO E TEMPERATURA CONSTANTES Processos de mudança de fase Há inúmeras situações em que as fases de uma dada substância pura coexistem em equilíbrio água e vapor em um condensador em um sistema de refrigeração etc A água é a substância pura referencial para o estudo dos processos de mudança de fase DIAGRAMA TEMPERATURA X VOLUME ESPECÍFICO DA ÁGUA Vapor superaquecido mistura Aumento do volume específico v Vm TEMPERATURA DE SATURAÇÃO E PRESSÃO DE SATURAÇÃO UM LÍQUIDO VAPORIZA ENQUANTO ABSORVE UMA QUANTIA DE ENERGIA CALOR LATENTE DE VAPORIZAÇÃO Diagrama de propriedades para os processos de mudança de fases Importância identificação de condições de equilíbrios processos de separação de fases entre outros específicos para misturas Representação gráfica para a compreensão de processos por meio de análises de T v P v e T P Substância pura de referência água 1 Diagrama T v FIGURA 317 A pressões supercríticas P Pcr não há como caracterizar um processo de mudança de fase ebulição FIGURA 316 Diagrama Tv dos processos de mudança de fase a pressão constante para uma substância pura a diversas pressões valores numéricos para a água a Diagrama Tv de uma substância pura 2 Diagrama P v FIGURA 319 A pressão em um arranjo pistãocilindro pode ser reduzida com a redução do peso do pistão b Diagrama Pv de uma substância pura Incluindo a fase sólida nos diagramas Anomalia da água seu volume diminui até 4 C quando iniciase a formação de cristais e então a água se expande 3 Diagrama P T Sustancia Fórmula Ttp K Ptp kPa Acetileno C2H2 1924 120 Agua H2O 27316 061 Amoniaco NH3 19540 6076 Argón A 8381 689 Carbón grafito C 3 900 10 100 Cloruro de hidrógeno HCl 15896 139 Deuterio D2 1863 171 Dióxido de azufre SO2 19769 167 Dióxido de carbono CO2 21655 517 Etano C2H6 8989 8 104 Etileno C2H4 1040 012 Helio 4 punto λ He 219 51 Hexafluoruro de uranio UF6 33717 1517 Hidrógeno H2 1384 704 Mercurio Hg 2342 165 107 Metano CH4 9068 117 Monóxido de carbono CO 6810 1537 Neón Ne 2457 432 Nitrógeno N2 6318 126 Óxido nítrico NO 10950 2192 Óxido nitroso N2O 18234 8785 Oxígeno O2 5436 0152 Paladio Pd 1 825 35 103 Platino Pt 2 045 20 104 Titanio Ti 1 941 53 103 Xenón Xe 1613 815 Zinc Zn 69265 0065 Fuente Datos del National Bureau of Standards US Circ 500 1952 Substâncias que se expandem ao solidificar Substâncias que se contraem ao solidificar Líquido Ponto crítico Ponto triplo Fusão Fusão Vaporização Sublimação Sólido Vapor FIGURA 323 Diagrama PT das substâncias puras Pressão Volume Temperatura Sólido Sólidolíquido Líquido Ponto crítico Líquido vapor Linha tripla Gás Vapor Sólidovapor FIGURA 324 Superfície PvT de uma substância que se contrai ao solidificar Sólido Líquido Ponto crítico Líquido vapor Linha tripla Gás Vapor Sólidovapor FIGURA 325 Superfície PvT de uma substância que se expande ao solidificar como a água TABELAS DE PROPRIEDADES TABELAS DE SATURAÇÃO Tabelas de Temperatura Para a maioria das substâncias as relações entre propriedades termodinâmicas são complexas demais para serem expressas por meio de equações simples Portanto as propriedades sempre são apresentadas na forma de tabelas Atenção para o sistema de separação decimal EUA separação por ponto mas utilizaremos a vírgula Temp C T 85 90 95 Pressão sat kPa Psat 57868 70183 84609 Volume específico m3kg Líquido sat v1 0001032 0001036 0001040 Vapor sat vv 28261 23593 19808 Temperatura Pressão de saturação correspondente Volume específico do líquido saturado Volume específico do vapor saturado FIGURA 328 Uma listagem parcial da Tab A4 v1 volume específico do líquido saturado vv volume específico do vapor saturado v1v diferença entre vv e v1 ou seja v1v vv v1 Título O título só faz sentido físico entre os estados de saturação de zero a 1 sendo zero estado de líquido saturado e 1 o estado de vapor saturado Os números entre eles indica condições de mistura saturada PROPRIEDADES MÉDIAS DAS MISTURAS SATURADAS Relação de proporcionalidade que é válida para as grandezas h u e s Para o caso de mudanças de estado físico fases FIGURA 334 O título está relacionado às distâncias horizontais nos diagramas Pv e Tv x ABAC umed ul x uv kJkg hmed hl x hv kJkg FIGURA 338 Uma listagem parcial da Tab A6 Vapor superaquecido TABELAS DE PRESSÃO DE SATURAÇÃO VAPOR SOBREAQUECIDOSUPERAQUECIDO EXEMPLO 1 PRESSÃO DE UM LÍQUIDO SATURADO EM UM TANQUE Um tanque rígido contém 50kg de água líquida saturada a 90C Determine a pressão e o volume mínimo do tanque TABELA A4 Água líquidovapor saturados Tabela com entrada de temperatura Volume específico m³kg Energia interna kJkg Temp TC Press sat Psat kPa Líq sat vl Vapor sat vv Líq sat ul Evap uv Vapor sat uv 001 06117 0001000 20600 0000 23749 23749 5 08725 0001000 14703 21019 23608 23818 10 12281 0001000 10632 42020 23466 23887 15 17057 0001001 77881 62980 23325 23955 20 23392 0001002 57761 83913 23184 24023 75 38597 0001026 41291 31399 21613 24753 80 47416 0001029 34053 33497 21466 24816 85 57868 0001032 28261 35596 21319 24878 90 70183 0001036 23593 37697 21170 24940 95 84609 0001040 19808 39800 21020 25001 VARIAÇÃO DE VOLUME E ENERGIA DURANTE A EVAPORAÇÃO Uma massa de 200 g de água líquida saturada é completamente vaporizada a uma pressão constante de 100 kPa Determine a A temperatura de saturação b A variação de volume do sistema não é volume específico c A quantidade de energia transferida para a água em kJ Exemplo 2 TABELA A5 Água líquidovapor saturados Tabela com entrada de pressão Volume específico m³kg Energia interna kJkg Press P kPa Temp sat Tsat C Liq sat vf Vapor sat vv Liq sat uf Evap ulv Vapor sat uv 10 697 0001000 12919 29302 23552 23845 15 1302 0001001 87964 54686 23381 23928 20 1750 0001001 66990 73431 23255 23989 25 2108 0001002 54242 88422 23154 24038 30 2408 0001003 45654 10098 23069 24079 75 9176 0001037 22172 38436 21118 100 9961 0001043 16941 41740 20882 101325 9997 0001043 16734 41895 20870 125 10597 0001048 13750 44423 20688 150 11135 0001053 11594 46697 20523 LÍQUIDO COMPRIMIDO E LÍQUIDO SATURADO Admita dois tanques de mesmo material que contém 10 kg de água a 75C Um dos tanques A está a pressão de 70 kPa e o outro B está em estado de saturação x04 Determine a A pressão no tanque B b O estado físico da água nos tanques c Os volumes dos tanques Exemplo 3 TABELA A4 Água líquidovapor saturados Tabela com entrada de temperatura Volume específico m³kg Energia interna kJkg Temp T C Press sat Psat kPa Liq sat vf Vapor sat vv Liq sat uf Evap ulv Vapor sat uv 001 06117 0001000 20600 0000 23749 23749 5 08725 0001000 14703 21019 23608 23818 10 12281 0001000 10632 42020 23466 23887 15 17057 0001001 77881 62980 23325 23955 20 23392 0001002 57761 83913 23184 24023 75 38597 0001026 41291 31399 21613 24753 80 47416 0001029 34053 33497 21466 24816 85 57868 0001032 28261 35596 21319 24878 90 70183 0001036 23593 37697 21170 24940 95 84609 0001040 19808 39800 21020 25001 ORIENTAÇÕES DE ESTUDOS LER CAPÍTULOS 3 E 4 DO LIVRO TEXTO ÇENGEL BOLES 2013 LISTA 3 DE TERMODINÂMICA