16/11/2015

1

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA

IFBA - CAMPUS BARREIRAS

ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Propriedades de uma substância pura

Termodinâmica

Prof.: Davi Fogaça

2

Material elaborado a partir de:

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7th EditionYunus A. Cengel, Michael A. Boles

McGraw-Hill, 2011©

CHAPTER 3PROPERTIES OF PURE SUBSTANCES

Mehmet Kanoglu

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Introduzir o conceito de substância pura.

Discutir a física dos processos de mudança de fase.

Ilustrar os diagramas de propriedades P-v, T-v, e P-T e P-v-T e

superfícies de substâncias puras.

Demonstrar o procedimento para determinação das propriedades

termodinâmicas de substâncias puras através de tabelas de dados.

3

OBJETIVOS SUBSTÂNCIA PURA

Substância pura: Uma substância que possui uma composição

química uniforme por toda extensão.

Ar é uma mistura de vários gases, mas é considerada uma subtância

pura.

4

Nitrogênio e o ar sãosubstâncias puras.

Uma mistura de água líquida evapor é uma substância pura, masa mistura de ar líquido e gasosonão.

FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA

5

As moléculas em umsólido são mantidas emsuas posições por forçasintermoleculares

Em um sólido, as forças atrativas erepulsivas entre as moléculastendem a mantê-las a umadistância relativamente constanteumas das outras.

FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA

6

O arranjo dos átomos em diferentes fases: (a) moléculas estão em

posições relativamente fixas em um sólido, (b) grupos de moléculas se

movem uns sobre os outros na fase líquida, e (c) moléculas se movem

aleatoriamente na fase gasosa.

16/11/2015

2

PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA

SUBSTÂNCIA PURA

Líquido comprimido: Uma substância que não apresenta condiçõesde vaporizar.

Líquido saturado: Um líquido que está pronto para se vaporizar.

7

A 1 atm e 20°C, a água se encontra na fase líquida (líquido comprimido).

A 1 atm e 100°C, a água se encontra como um

líquido pronto para ser vaporizado (líquido

saturado).

Mistura líquido-vapor saturado: Estado em que as fases líquido evapor coexistem em equilíbrio.

Vapor saturado: Um vapor que está pronto para condensar.

Vapor superaquecido: Um vapor que não apresenta condições parase condensar.

8

PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA

SUBSTÂNCIA PURA

Como mais calor é

transferido, parte do líquido

saturado vaporiza (mistura

líquido-vapor saturado).

9

A 1 atm, a temperatura

permanece constante a

100°C até que a última gota

do líquido seja vaporizada

(vapor saturado).

Como mais calor é

fornecido a

temperatura do vapor

começa a subir (vapor

superaquecido).

PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA

SUBSTÂNCIA PURA

10

T-v diagrama para

processo de

aquecimento da

água a pressão

constante.

Se todo o processo entre os estados 1 e 5 descrito na figura éreversível por resfriamento da água, enquanto se mantém a pressãoconstante, a água irá retornará para o estado 1, percorrendo o mesmocaminho, e ao fazê-lo, o montante de calor liberado irá corresponderexatamente a quantidade de calor adicionado durante o processo deaquecimento.

TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO

A temperatura de ebulição de qualquer substância é dependenete da

pressão a que esta se encontra ou é submetida.

A água entre em ebulição (ferve) a 100C sob pressão de 1 atm.

11

Curva de saturação líquido-

vapor de uma substância pura

(valores numéricos para a

água).

Temperatura de saturação Tsat:

Temperatura em que uma

substância pura muda de fase a

uma determinada pressão.

Pressão de saturação Psat:

Pressão em que uma substância

pura muda de fase a uma

determinada temperatura.

12

TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO

16/11/2015

3

Calor latente: quantidade de

energia absorvida ou liberada

durante um processo de mudança

de fase.

Calor latente de fusão: quantidade

de energia absorvida durante a

fusão. É equivalente a quantidade

de energia liberada durante o

congelamento.

Calor latente de vaporização:

quantidade de energia absorvida

durante a vaporização. É

equivalente a energia liberada

durante a condensação.

13

CALOR LATENTE

A magnitude do calor latente

depende da temperatura ou pressão

em que ocorre a mudança de fase.

A 1 atm de pressão, o calor latente de

fusão da água é 333,7 kJ/kg e o calor

latente de vaporização é 2256,5

kJ/kg.

A pressão atmosférica, e

consequentemente, a temperatura de

ebulição da água, diminuem com o

aumento de altitude. 14

CALOR LATENTE

15Em 1775, gelo foi feito através da evacuação do espaço de ar em um

tanque de água.

ALGUMAS CONSEQUÊNCIAS DA DEPENDÊNCIA

DA TSAT E PSAT

DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA

PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE

16

T-v diagrama do processo de mudança de fase, a pressão constante, de uma

substância pura em várias pressões (valores numéricos para água).

Linha de líquido saturado

Linha de vapor saturado

Região de líquido comprimido

Região de vapor superaquecido

Região da mistura líquido-vapor

saturado (Região úmida)

17

A uma pressão

supercrítica (P > Pcr),

não há um processo

distinto de mudança

de fase (ebulição)

T-v diagrama de uma substância pura

Ponto crítico: Ponto em

que os estados líquido

saturado e vapor

saturado são idênticos.

18

P-v diagrama de uma substância pura.

DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA

PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE

16/11/2015

4

ESTENDENDO OS DIAGRAMAS PARA INCLUIR A

FASE SÓLIDA

19P-v diagrama de uma substância que se contrai quando congelada.

20P-v diagrama de uma substância que expande quando congelada (como

a água).

Para água,

Ttp = 0,01°C

Ptp = 0,6117 kPa

ESTENDENDO OS DIAGRAMAS PARA INCLUIR A

FASE SÓLIDA

21

Sublimação: Passagem

da fase sólida diretamente

para a fase de vapor.

Sob baixas pressões

(abaixo do ponto-triplo),

sólidos evaporam sem

derreter primeiro

(sublimação).

P-T diagrama de uma substância pura.

Diagrama de Fases

22Superfície P-v-T de uma

substância que se contrai

quando congelada.

Superfície P-v-T de uma substância

que se expande quando congelada

(como a água).

As superfícies P-v-T apresentam uma grande quantidade de informações,

porém, em análises termodinâmicas é mais conveniente trabalhar com

diagramas bi-dimensionais, como os diagramas P-v e T-v.

TABELA DE PROPRIEDADES

Para muitas substâncias, a relação entre propriedades

termodinâmias é muito complexa para ser expressa por simples

equações.

Por isso, as propriedades são frequentemente apresentadas na

forma de tabelas.

Algumas propriedades termodiâmicas podem ser mensuradas

facilmente, mas outras não, sendo calculadas através das relações

das propriedades termodinâmicas apresentadas nessa tabelas.

23

TABELA DE PROPRIEDADES

24

..\..\Material de referência\Tabelas termodinamicas

(agua,amonia,C02,N2,refrigerantes).pdf

16/11/2015

5

25

Entalpia – Uma propriedade combinada

A combinação u + Pv é frequentemente encontrada em análises de

volumes de controle..

ENTALPIAESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO E VAPOR

SATURADO Tabela A–4: Propriedades de saturação da água.

26

Lista parcial da Tabela A–4.

Entalpia de vaporização, hfg (Calor

latente de vaporização): Quantidade

de energia necessária para vaporizar

uma unidade mássica de um líquido

saturado a uma determinada

temperatura ou pressão.

27

Exemplos 3.1 e 3.2: Estados de líquido saturado e vapor saturado daágua em diagramas T-v e P-v.

MISTURA LÍQUIDO-VAPOR SATURADO

28

Título, x : Razão entre a massa de vapor e massa total da mistura.

As propriedades do líquido saturado são as mesmas se ele existir

isoladamente ou em uma mistura com vapor saturado.

As quantidades relativas das fases

líquido e vapor de uma mistura

saturada são especificadas pelo título x.

Seu valor está entre 0 e 1:

0: Líq. Saturado 1: vapor saturado.

29

Por conveniência um sistema bifásico pode ser

tratado como uma mistura homogênea.

Temperatura epressão sãopropriedadesdependentes parauma mistura.

MISTURA LÍQUIDO-VAPOR SATURADO

30

O título está

relacionado às

distâncias

horizontais nos

diagramas P-v e

T-v .

O valor de v para

uma mistura líquido-

vapor saturada está

entre os valores vf e

vg a uma dada T e P.

TÍTULO DE UMA MISTURA

16/11/2015

6

31

y v, u, or h.

TÍTULO DE UMA MISTURA EXEMPLOS

3.3 - Um tanque rígido

contém 10 kg de água a

90°C. Se 8 kg de água

estiverem na forma líquida e

o restante estiver na forma

de vapor, determine (a) a

pressão no tanque e (b) o

volume do tanque.

32

3.4 - Um vaso de 80 L contém

4 kg de refrigerante-134a a

uma pressão de 160 kPa.

Determine (a) a temperatura,

(b) o título, (c) a entalpia do

refrigerante e (d) o volume

ocupado pela fase vapor.

33

EXEMPLOS VAPOR SUPERAQUECIDO

34

Na região à direita da linha

de vapor saturado e

temperaturas acima da

temperatura de ponto

crítico, a substância existe

como vapor superaquecido.

Nesta região, temperatura

e pressão são

independentes.

35

A uma dada P, o vapor

superaquecido possui h mais

alta que o vapor saturado.

Comparado com vapor saturado, ovapor superaquecido é caracterizadopor:

VAPOR SUPERAQUECIDO

3.5 - Determine a temperatura da água em um estado em que

P= 0,5 MPa e h = 2890 kJ/kg.

36

EXEMPLO

16/11/2015

7

37

y v, u, ou h

Uma relação mais precisa para h:

Um líquido comprimido

pode ser aproximado como

um líquido saturado à

mesma temperatura.

As propriedades de um líquido

comprimido dependem da

temperatura muito mais que da

pressão.

LÍQUIDO COMPRIMIDO

38

Líquido comprimido é caracterizado por:

A uma dade P e T, uma substância

pura existirá como um líquido

comprimido se T < Tsat@P

LÍQUIDO COMPRIMIDO

ESTADO DE REFERÊNCIA E VALORES DE

REFERÊNCIA

Os valores de u, h, e s não podem ser medidos diretamente, e por

isso são calculados a partir de propriedades mensuráveis usando as

relações entre as propriedades termodinâmicas.

Entretanto, essa relações fornecem as variações das propriedades e

não os valores da propriedades nos estados especificados.

É necessário escolher um estado de referência conveniente e atribuir

o valor zero para uma ou mais propriedades naquele estado.

O estado de referência para água é 0,01°C e para o R-134 é -40°C nas

tabelas.39

Algumas propriedades podem ter valores negativos, em consequência

do estado de referência escolhido.

Às vezes, tabelas diferentes apresentam valores diferentes para

algumas propriedades no mesmo estado devido ao uso de diferentes

estados de referência.

40

ESTADO DE REFERÊNCIA E VALORES DE

REFERÊNCIA