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 específico 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 específica 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 A B C D E F G H I J K 1 vm³kg T 2 009959 21238 3 010381 225 4 01115 250 5 012551 300 6 01386 350 7 015122 400 8 017568 500 9 019962 600 10 022326 700 11 024674 800 12 027012 900 13 029342 1000 14 031667 1100 15 033989 1200 16 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 347 Erro percentual vtabela videalvtabela 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 Erro percentual vtabela videalvtabela 100 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 Metano Isopentano Etileno nHeptano Etano Nitrogênio Propano 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 ΔHs Total heat ΔHt Enthalpy Δh Humidity ratio Δω Energy kJkg dry air X KJkg dry air Saturation temperature C Dry bulb temperature C Evaporation per kilogram of dry air Evaporation per kilogram of water Dry bulb temperature C Sensible heat ΔHs Total heat ΔHt 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 ϕPsatT onde PsatT 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 ϕPsat25C 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 ΔHs Total heat ΔHt Enthalpy Δh Humidity ratio Δω Energy kJkg dry air X KJkg dry air Saturation temperature C Dry bulb temperature C Evaporation per kilogram of dry air Evaporation per kilogram of water Dry bulb temperature C Sensible heat ΔHs Total heat ΔHt Linhas da Carta Psicrométrica TEMP BULBO SECOC UMIDADE RELATIVA TEMP BULBO UMIDOC Linhas de ponto de orvalho Ponto de orvalho VOLUME ESPECIFICO m kg DE AR SECO RAZAO DE UMIDADE kg DE VAPORkg 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