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Disciplina:Sistemas Térmicos

Sistemas Térmicos

● Definição de Substância Pura

● Equilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura

● Diagrama de Temperatura versus Volume Específico

● Título de uma Substância com Fases Líquida e Vapor

● Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Substâncias Puras

● Tabelas Termodinâmicas de Vapor de Água Saturada

● Relação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor

● Comportamento Termodinâmico de Gases Ideais

Sistemas TérmicosDefinição de Substância Pura

Uma substância pura é uma substância que tem composição química invariável e homogênea;

A substância pode existir em mais de uma fase simultaneamente, como nas fases sólida, líquida e gasosa, mas a composição química é a mesma em todas as fases;

Por exemplo, uma mistura de água líquida e vapor d’água, ou a mistura de gelo e água líquida, são substâncias puras, pois em cada fase a composição química da água não muda: duas moléculas de hidrogênio e uma molécula de oxigênio;

Em alguns casos de mistura de gases, tal como misturas envolvendo o ar, a mistura é considerada uma substância pura desde que não haja mudança de fase.

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Sistemas TérmicosEquilíbrio de Fases Líquido-Vapor de uma Substância Pura

Para o sistema fechado cilindro-êmbolo livre, contento inicialmente água liquida, como mostrado no detalhe (a) da figura, supondo que a massa seja de 1kg, a pressão inicial seja de 100 kPa e a temperatura 20°C:


Na medida em que se introduz calor à água dentro do cilindro, a temperatura dentro do cilindro tende a aumentar consideravelmente;

No momento em que a temperatura do líquido atinge 99,6 °C, começa a ocorrer a mudança de fase de líquido para vapor, visto que essa é a temperatura de evaporação da água para uma pressão de 100kPa;

Para qualquer calor adicional transferido ao cilindro, ocorrerá a presença de duas fases simultâneas no cilindro, líquido e vapor, como mostrado no detalhe (b) da figura anterior;

Como o êmbolo é livre para movimentar-se, o volume do cilindro aumentará progressivamente, e consequentemente o volume específico da mistura aumentará (entretanto, a massa da mistura permanece constante visto que o sistema é fechado);


Durante o processo de evaporação do líquido, a temperatura dentro do cilindro permanece constante;

Dessa forma, o processo ocorre de forma isotérmica e isobárica simultaneamente (entretanto, o volume continua aumentando);

No momento em que a última gota de líquido tiver evaporado, qualquer calor transferido ao cilindro provocará um aumento da temperatura do vapor presente dentro do cilindro;

A temperatura na qual ocorre a evaporação de uma substância líquida, em uma dada pressão, é chamada de temperatura de saturação e essa temperatura é única para a dada pressão considerada;

O comportamento do volume específico em função da temperatura e da pressão de uma dada sustância pura é expresso através de um diagrama.

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Sistemas TérmicosDiagrama de Temperatura versus Volume Específico

O diagrama temperatura versus volume específico, de uma substância pura, corresponde a um gráfico que apresenta os limites de saturação de fase líquida e de fase de vapor de uma substância, delimitando uma região de saturação para a substância pura;

No diagrama é apresentado dois limites para a região de saturação: uma linha de líquido saturado e uma linha de vapor saturado;

O diagrama apresenta também linhas de pressão constante, ou seja, linhas isobáricas dentro e fora da região de saturação da substância;

Quando as propriedades da substância definem um ponto no diagrama sobre a linha de líquido saturado, a substância é dita líquido saturado;

Quando as propriedades da substância definem um ponto no diagrama sobre a linha de vapor saturado, a substância é dita vapor saturado;


Se uma substância existe como líquido na temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, ela é chamada de líquido saturado;

Quando a temperatura do líquido é menor do que a temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, a substância é chamada de líquido comprimido líquido comprimido;

Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, ela é chamada de vapor saturado;

Quando a temperatura do vapor é maior do que a temperatura de saturação, para uma dada pressão considerada, a substância é chamada de vapor superaquecido;

O ponto de inflexão nula sobre as linhas de líquido saturado e vapor saturado é chamado ponto crítico da substância.


O ponto crítico de uma substância é estado termodinâmico onde os estados de líquido saturado e vapor saturado são idênticos;

A tabela abaixo apresenta os valores críticos das propriedades termodinâmicas de algumas substâncias:

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Sistemas TérmicosTítulo de uma Substância com Fases Líquida e Vapor

No processo de evaporação de uma substância pura, a substância vai de um estado inicial onde a fase é completamente líquido até um estado final onde a fase é completamente vapor;

Durante a evaporação, o volume específico da substância varia de acordo com o processo de mudança de fase, de líquido para vapor, apresentando valores entre o volume específico de líquido saturado e o volume específico de vapor saturado;

O valor do volume específico da substância durante a saturação é denominada volume específico médio de saturação;

O volume específico médio de saturação é calculado através de um parâmetro matemático que correlaciona o volume específico de vapor saturado e o volume de líquido saturado, denominado título;


O título de uma substância pura em processo de evaporação, em uma dada pressão e temperatura de saturação, corresponde a razão entre a massa de vapor e a massa total da substância, expressa por x;

Dessa forma, para o conjunto cilindro-êmbolo mostrado anteriormente durante a evaporação, mostrada no detalhe (b) da figura, se a massa de vapor for de 0,2kg, sendo a massa total de 1kg, o título é de 0,2 ou 20%;

Utilizando o diagrama de temperatura versus volume específico é possível obter uma relação matematicamente para o título;

Nesse caso, o título da substância saturada em evaporação corresponde a razão entre a diferença dos volumes específicos médio e de líquido saturado e a diferença entre os volumes específicos de vapor saturado e líquido saturado;


Matematicamente, o título de uma substância pura em evaporação é dado pela relação:

Pela expressão acima é possível ainda obter uma relação para o volume específico médio em função dos volumes de saturação e do título:

Onde n é o volume específico médio, nl é o volume específico de líquido saturado e nv é o volume específico de vapor saturado, todos em unidade m³/kg.

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Sistemas TérmicosTabelas Termodinâmicas de Vapor de Substâncias Puras

Para correlacionar o volume específico do liquido saturado e do vapor saturado de uma substância pura, em função da temperatura de saturação e da pressão da substância durante a saturação, comumente utilizam-se tabelas de propriedades termodinâmicas de vapor;

As tabelas de vapor são basicamente de dois tipos: uma relacionando as propriedades do vapor em função da temperatura de saturação, e outra relacionado as propriedades com a pressão durante a saturação;

Ambas as tabelas fornecem o volume específico do líquido saturado (nl) e o volume específico do vapor saturado (nv), em função das temperaturas de saturação e pressão durante a saturação;

Além dos volumes específicos, essas tabelas apresentam outras propriedades termodinâmicas, como a energia interna, entalpia e entropia.

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Sistemas TérmicosTabelas Termodinâmicas de Vapor de Água Saturada

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Sistemas TérmicosRelação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor

● Tabela B.1 – Propriedades Termodinâmicas da ÁguaB.1.1 – Água saturada em função da temperaturaB.1.2 – Água saturada em função da pressãoB.1.3 – Vapor d’água superaquecido em função da temperaturaB.1.4 – Água líquida comprimida em função da temperatura

● Tabela B.2 – Propriedades Termodinâmicas da AmôniaB.2.1 – Amônia saturada em função da temperaturaB.2.2 – Amônia superaquecida em função da temperatura

● Tabela B.3 – Propriedades Termodinâmicas do Dióxido de CarbonoB.3.1 – Dióxido de Carbono saturado em função da temperaturaB.3.2 – Dióxido de Carbono superaquecido em função da temperatura

Sistemas TérmicosRelação das Principais Tabelas Termodinâmicas de Vapor

● Tabela B.4 – Propriedades Termodinâmicas do R-410AB.4.1 – R-410A saturado em função da temperaturaB.4.2 – R-410A superaquecido em função da temperatura

● Tabela B.5 – Propriedades Termodinâmicas do Refrigerante R-134aB.5.1 – R-134a saturado em função da temperaturaB.5.2 – R-134a superaquecido em função da temperatura

● Tabela B.6 – Propriedades Termodinâmicas do NitrogênioB.6.1 – Nitrogênio saturado em função da temperaturaB.6.2 – Nitrogênio superaquecido em função da temperatura

Sistemas TérmicosExemplos

Exemplo 1. Calcular o volume específico médio e a pressão da água saturada natemperatura de saturação de 150°C e título de 70%.

Exemplo 2. Calcular o volume específico médio e a temperatura de saturação daágua saturada na pressão de 250kPa e título de 80%.

Exemplo 3. Calcular o título e a pressão da água saturada na temperatura de300°C com volume específico médio de 0,005m³/kg.

Exemplo 4. Calcular o título e a temperatura de saturação da água saturada napressão de 1200kPa e volume específico de 0,08m³/kg.

Exemplo 5. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 400°C napressão de 2,5MPa.


Exemplo 6. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 100°C na pressão de 5MPa.

Exemplo 7. Calcular o volume específico médio e a pressão da água saturada na temperatura de 63°C e título de 85%. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada.

Exemplo 8. Calcular o volume específico médio e a temperatura de saturação da água saturada na pressão de 12200kPa e título de 80%. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada.

Exemplo 9. Definir a fase e calcular o volume específico da água a 20000kPa e 630°C. Utilizar o método de interpolação linear para a temperatura considerada.

Exemplo 10. Um vaso rígido fechado contém vapor saturado de amônia a 20°C. Transfere-se calor para o sistema até que a temperatura atinja 40°C. Determine a pressão final.

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Sistemas TérmicosComportamento Termodinâmico de Gases Ideais

Uma das formas de acúmulo de energia a nível molecular de uma substância é a energia potencial intermolecular, a qual esta relacionada com as forças que atuam sobre as moléculas;

De uma forma geral, a energia potencial intermolecular pode ser desprezada quando a massa específica da substância é muito pequena (e consequentemente, o volume específico é muito grande), devido a grande distância entre as moléculas da substância;

Nessa condição a substância é chamado de fluído gás ideal;

A partir de observações experimentais verificou-se que o comportamento de correlação pressão-volume-temperatura dos gases com massas específica muito pequenas é dado, com boa precisão, pela equação de estado dos gases ideais;


A equação de estado para um gás ideal correlaciona a pressão absoluta do gás e o volume específico do gás com a temperatura absoluta do gás, em função da constante do gás ideal, por:

ou

Onde: ● P - pressão absoluta do gás ideal [kPa];● n - volume específico do gás ideal [m³/kg];● T - temperatura absoluta do gás ideal [K];● R - constante do gás ideal [kJ/kg.K];● V - volume do gás ideal [m3];● m - massa do gás ideal [kg];


A constante do gás ideal é uma propriedade termodinâmica que varia para diferentes tipos de gases, em função das constante universal dos gases ideais e da massa molar M do gás:

A constante universal dos gases ideais é igual a 8,314 kJ/kmol.K;

A massa molar do gás ideal deve ser apresentada em unidade kg/kmol;

Os valores de constantes do gás ideal para diferentes gases são apresentados na Tabela A.5.


Exemplo 11. Calcular a massa de ar contida dentro de uma sala com dimensões de 6m de altura, 10m de comprimento e 4m de largura quando a pressão é de 100kPa e atemperatura é de 25°C. Admita que o ar se comporte como um gás ideal.

Exemplo 12. Calcular a pressão de um tanque com capacidade de 0,5m³, que contém 10kg de um gás a 25°C com massa molar de 24kg/kmol. Admita que o gás se comportecomo um gás ideal.

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