PROPRIEDADES DA SUBSTÂNCIA PURA COMPRESSÍVEL

José Queiroz

ESTADO DE SUBSTÂNCIA PURA

COMPRESSÍVEL SIMPLES.

Substancia pura é aquela cuja composição química é invariável e homogênea. Pode existir em mais de uma fase, mas a composição química é a mesma em todas as fases. Água líquida, uma mistura de água liquida e vapor d’ água ou uma mistura de água liquida e gelo são substâncias simples.

EQUILÍBRIO DE FASES VAPOR-LÍQUIDA-SÓLIDA NUMA SUBSTÂNCIA PURA.

O que ocorre ao fornecermos calor a uma certa quantidade de água (substância pura)?

EQUILÍBRIO DE FASES VAPOR-LÍQUIDA-SÓLIDA NUMA SUBSTÂNCIA PURA.

O que ocorre ao fornecermos calor a uma certa quantidade de água (substância pura)?

Durante esta etapa , observa-se aumento da temperatura e aumento ( pequeno do volume), ou seja, pequeno aumento do volume específico da água

a) m= 1kg ; p= 101,3 kPa; 20 0C.

b) M= 1 kg; P = 0,1 MPa; T = 99,6 oC.

Nestas condições ocorre mudança de fase, líquido em vapor, e ocorre aumento de Volume,( volume específico) da água. Nesta etapa P e T são constantes

c) M= 1 kg; P = 0,1 MPa; T = 110 oC.

Quando todo o liquido for vaporizado, com o fornecimento de calor aumenta a temperatura e o volume do vapor.

Diagrama T –V- P para a água

Temperatura de saturação e pressão de saturação.A temperatura na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão é chamada temperatura de saturação. A pressão na qual ocorre a vaporização a uma dada temperatura é chamada de pressão de saturação.

Líquido saturado: quando uma substância está na forma líquida na temperatura e na pressão de saturação (em ebulição)

Vapor saturado: quando uma substância está na forma gasosa na temperatura e na pressão de saturação (em ebulição)

Exercício Qual a temperatura de saturação da água a 46,6 kPa?

Qual a pressão de saturação a 60 oC?

Líquido sub-resfriado: quando a temperatura do líquido está à temperatura mais baixa que a temperatura de saturação do líquido para uma dada pressão.

Ts = 100 oC a 101,3 kPa.

Líquido comprimido: a pressão do líquido é mais alta que a pressão de saturação para uma dada temperatura.

Vapor superaquecido: quando a temperatura do vapor está à temperatura mais alta que a temperatura de saturação do vapor para uma dada pressão

Diagrama T –V- P para a água

Obs.:

1.Ponto liquido saturado;

2.Ponto vapor saturado;

3.Linha de processo de mudança de fase

4.Região superaquecida: Pressão constante, Tv>Ts, v também aumenta significativamente

Transformações da substância pura

Vapor saturado seco

Título . Quando uma substância tem uma parte na fase líquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturação, existem diversas relações entre as quantidades de líquido e as de vapor. Uma relação entre as quantidades de massa é chamada de título. Assim se a quantidade de vapor for 0,2 kg e quantidade de líquido for 0,8 kg seu título será 0,2 ou 20 %.

Só se poder falar em título quanto a substancia esta no estado de saturação, o seja, na pressão e temperatura de saturação.

m

mx l

m

my v

onde x = fração mássica de líquido, também conhecida como título do líquido, e y é a fração mássica de vapor, também conhecida como título do vapor.

EQUILÍBRIO DE FASES VAPOR-LÍQUIDA-SÓLIDA NUMA SUBSTÂNCIA PURA.

Título: Razão entre a massa de vapor e a massa total

Obs.: O cálculo do título só tem razão quando a substância encontra-se no estado de saturação, ou seja, na pressão e temperatura de saturação.

Ex. Na figura acima temos:

1.1 kg de água em a)

2.Digamos que em b temos 0,2 kg de vapor o título então é de 20%

3.Em c temos um título de 100%

Título

Considere a linha AB (de pressão constante)

A pressão nessa linha é 0,1 MPa.

Água a 20 0C e 0,1 MPa está na fase líquida.

Se fornecermos calor aumenta-se a temperatura do sistema. Da Tabela B1.1 obtém-se:

99,6 oC

A temperatura de saturação a essa pressão é 99,60 oC (0,1 MPa). Isso significa que a água a 20 oC e 0,1 MPa , assim como a 25 oC, 35 oC, 75 oC, 98 oC está a uma temperatura abaixo da temperatura de saturação a essa temperatura e, nessas condições, a água é um líquido sub-resfriado.

Por outro lado , a pressão de saturação a 20 oC é 2,3385 kPa, e como o líquido está a 100 kPa, o fluido é um liquido comprimido.

No ponto B, TB = 99,60 oC que é a temperatura de saturação e y =0.

Qual a temperatura de saturação para esta pressão?

Reta BC.Quando a água atinge a temperatura de saturação, um fornecimento adicional de calor leva a mudança de fase, de líquido para vapor com aumento do volume ( e do volume específico) do sistema a P e T constantes. Ao longo da reta BC varia o título e o volume ( volume específico).

Ponto C.É o ponto de vapor saturado. No ponto B, TC = 99,60 oC que é a temperatura de saturação do vapor. Título do vapor, y = 100 %. A partir do ponto C todo o liquido é convertido em vapor

Linha CD.Vapor superaquecido. O fornecimento de calor leva a aumento da temperatura. Pressão e temperatura de vapor superaquecido são propriedades independentes.

Exercício 2.7. Considere a linha de pressão constante, P= 1 MPa, EF. Em que estado está a água nessa linha sabendo-se que a temperatura da água é 20 oC? O que indica o ponto F? E o ponto G? Qual a temperatura de saturação do líquido? e a do vapor? O que caracteriza a linha GH?

Considere a linha de pressão constante MNO, P= 22,09 MPa. Qual a temperatura em N? Em que estado está a água nessa linha? O que caracteriza geometricamente o ponto N?

Considere a linha de pressão constante PQ, P=40 MPa. Em que estado está a água nessa linha? O que ocorre se a temperatura for reduzida até 20 oC?

2.4. Condições críticasFluido supercrítico P>Pc ; T>Tc.

Fluido P> Pc p/a qualquer Temp.

P<Pc; T<Tc => liquido comprimido;

P<Pc;T<Tc => vapor superaquecido;

P<Pc;T>Tc => vapor superaquecido;

Propriedades críticas de substâncias

Substância Temperatura Pressão Volume específico Crítica ( oC) Crítica (MPa) crítico (m3/kg)

Água 374,14 22,09 0,003155

Dióxido de carbono 31,05 7,39 0,002143

Oxigênio -118,35 5,08 0,002438

Hidrogênio -239,85 1,30 0,032192

Nitrogênio -146,95 3,39 0,089800

b) m= 1kg ; p= 100,0 kPa; 0 0C.

Transformações da substância pura

Durante esta etapa , observa-se aumento da temperatura até atingir 0 oC e pequeno aumento do volume, ou seja, pequeno aumento do volume específico da água

a) m= 1kg ; p= 100,0 kPa; -20 0C.

Durante esta etapa, a temperatura permanece constante enquanto o gelo funde. O sólido no inicio do processo é chamado de sólido saturado. A maioria das substâncias têm aumento de volume específico. A água é uma exceção, o volume da água líquida é menor, na região de equilíbrio, é menor do que o da água sólida.

Transformações da substância pura

c) m= 1kg ; p= 100,0 kPa; 0 0C.

Durante esta etapa, a temperatura aumenta até atingir 99,6 0C. O volume específico diminui até 4 oC e, em seguida, a aumenta.

d) m= 1kg ; p= 0,260 kPa; -20 0C.

A temperatura aumenta até atingir -10 oC. Nesse ponto o gelo passa da fase sólida para a fase vapor. Qualquer fornecimento de calor adicional leva a um aumento da temperatura e superaquecimento do vapor .

e) m= 1kg ; p= 0,6113 kPa; -20 0C.

A temperatura aumenta até atingir 0,01 oC. Nesse ponto qualquer transferencia adicional de calor leva a mudança de fases: de gelo para água líquida ou vapor d`água. Existe equilíbrio de três fases : sólida, líquida e gasosa. Ponto triplo. Qualquer fornecimento de calor adicional leva a um aumento da temperatura e superaquecimento do vapor .

Diagrama de fases

E F

A B

C D

G H

O ponto triplo de uma substância é a temperatura e a pressão nas quais os três fases (sólida, líquida e gasosa) coexistem em equilíbrio termodinâmico.

O ponto triplo a temperatura da água é exatamente 273,16 kelvin (0,01 °C) e a pressão é 611,73 pascal (cerca de 0,006 bar). O ponto triplo do mercúrio é a -38.8344 °C e a 0,2 mPa.

The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is the fraction 1/273.16 of the thermodynamic temperature of the triple point of water. BIPM

O ponto triplo da água é usado para definir o kelvin, a unidade de temperatura termodinâmica no Sistema Internacional de Unidades. O número dado para a temperatura do ponto triplo da água é uma definição exata, e não uma quantidade medida.

Temperatura (oC) Pressão(kPa)

H2 -259 7,194

O2 -219 0,15

N2 -210 12,53

H2O 0,01 0,6117

Hg -39 0,000 000 130

Zn 419 5,099

Ag 961 0,01

Cu 1083 0,000 079

Exercícios

Exercício 2.13. Considere a água como fluido de trabalho e os estados termodinâmicos definidos por a) 120 oC e 500 kPa e b) 120 oC e 0,5 m3/kg. Determine a fase de cada um dos estados indicados utilizando as tabelas termodinâmicas dadas. Indique a posição desses estados (a) e (b) no diagrama p-v,T, T_v,p e p-T(diagrama de fases.

a)T = 120 oC => Psat = 198,53 kPa => líquido comprido P = 500 kPa => Tsat = 151.9 oC (B1.1.2)

T = 120 oC | > líquido comprido P = 500 kPa |

a) T = 120 oC => Psat = 198,53 kPa => líquido comprido v = 0,5 m3/kg => vl = 0,001061 m3/kg; vv =0,8915 m3/kg

estado saturado, eq. líd/vapor

vl yvvyv .1 lvllvl vyvvvyvv ..

Exercícios

título=0,56

Exercício 2.14. Considere os seguintes fluidos e estados termodinâmicos definidos por:a) amônia a 30 oC e 1000 kPa.b) R-22 a 200 kPa e v = 0,15 m3/kg.

Determine a fase de cada um dos estados indicados utilizando as tabelas termodinâmicas dadas. Indique a posição desses estados (a) e (b) no diagrama de fases , p-v,T e p-T.

a) B.2.1 Se Tsat = 30 oC => Psat = 1167,0 kPa. Se Psat =1000 kPa então Tsat = 24,9 oC

20 oC 857,5 kPa x 1000 kPa25 oC 1003,2 x = 24,9 oC. Liq sat.Como temos amônia a 30 oC e 1000 kPa então trata-se de amônia como vapor superaquecido.Figura 2.9.