Baixe termodinamica e outras Exercícios em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
2ª Atividade de Termodinâmica Virtual
Alunos: Rayner Philipe Mendes Lucas Eduardo Stefanelli Gabriel de Araújo Veiga Thiago Brígido de Oliveira
Seção 2.1 – Complexidade dos Sistemas
Suponhamos uma industria têxtil, onde temos algumas caldeiras geradoras de vapor. Estas caldeiras recebem uma fonte de calor proveniente da queima de GLP. Este calor recebido aquece a água no interior da caldeira. As áreas externas da caldeira podem ser chamadas de vizinhança. Tudo isso caracteriza um sistema fechado, pois, é composto por uma quantidade de matéria com massa e identidade fixa, apenas calor e trabalho podem cruzar a fronteira do sistema. Este sistema possui várias propriedades, que podem ser chamadas de Variáveis de Estado, sendo elas, temperatura T ¸ pressão P , volume V e quantidade de substância n. Por possuir um grande número de variável, este sistema é dito como complexo. Apenas duas das propriedades acima são capazes de determinar o estado de uma substancia pura. E a equação de estado deve apresentar as variáveis de um sistema termodinâmico em equilíbrio.
Seção 2.2 – Substâncias Puras Compressíveis Simples
Uma substância pura é todo material com as seguintes características:
- Unidades estruturais (moléculas, conjuntos iônicos) quimicamente iguais entre si.
- Composição fixa, do que decorrem propriedades fixas, como densidade, ponto de fusão e de ebulição, etc.
- A temperatura se mantém inalterada desde o início até o fim de todas as suas mudanças de estado físico (fusão, ebulição, solidificação, etc.).
- Pode ser representada por uma fórmula porque tem composição fixa.
- Não conserva as propriedades de seus elementos constituintes, no caso de ser substância pura composta. Pelas características citadas acima, observamos que em uma substância pura é muito mais fácil de identificar suas variáveis, facilitado assim seu estudo. Existem também substância compressível simples
Seção 2.3 – Estados Na Mudança de Fase
Abaixo apresentamos um sistema constituído de 1 Kg de água pura, contida em um cilindro, equipado com um êmbolo sem atrito, submetida a pressão externa constante de 0, MPa, e as variáveis usadas para descrever seu estado são pressão, temperatura e volume. E os estados intermediários identificamos assim:
- Estado 1 (inicial), liquida a 20°C;
- Estado 2 (intermediário), liquida a 99,6°C;
- Estado 3 (intermediário), parte liquida e parte vapor a 99,6°C
- (^) Estado 4 (intermediário), vapor a 99,6°C
- Estado 5 (final), totalmente vapor, a150°C.
Durante a mudança de fase acima, a temperatura e pressão são independentes, uma vez que elas permaneceram constantes.
Na Termodinâmica temos designações dadas as diferentes fases de uma substância que estão descritas abaixo:
- Liquido Saturado – quando uma substância se encontra como liquido à temperatura e pressão de saturação.
- Vapor Saturado – quando uma substância encontra-se completamente como vapor à temperatura de saturação.
- Liquido Sub-Resfriado – quando a temperatura do liquido é menor que a temperatura de saturação para uma pressão existente, ou seja, a temperatura é menor que a temperatura de saturação para a pressão dada.
- Vapor Superaquecido – quando o vapor se encontra a uma temperatura superior a temperatura de saturação.
Seção 2.6 – Representação dos Estados das Substâncias Puras Compressíveis Simples
Para representar os estados de equilíbrio de uma substância pura são necessárias três dimensões: Volume, Pressão e Temperatura. Como mostra a figura abaixo: Contudo, projetando-se o plano de uma das variáveis de estado, é possível representar esse diagrama em um único plano apenas PxT:
Seção 2.7 – Parâmetros Relacionados com a Mudança de Fase
Analisando a transformação ocorrida na seção 2.3:
Com um aumento da pressão para 1MPa, os estados 2 e 4, teriam suas temperaturas de saturação aumentadas. Com isso, podemos definir que à medida que se eleva a pressão, eleva-se também a temperatura de saturação, e vice-versa. Então, a temperatura de saturação e diretamente proporcional à pressão.
P α Tsat A pressão no ponto crítico, onde os estados de líquido saturado e de vapor saturado são idênticos, é chamada de pressão crítica. Da mesma forma a temperatura no ponto crítico é chamada de temperatura crítica, e volume específico no ponto crítico é chamado de volume crítico.
Para pressão acima da crítica (supercrítica), nunca existirá estado de fase líquido coexistindo, em equilíbrio, com a fase vapor.
Seção 2.8 – Superfícies de Estado Analisando novamente o gráfico da seção 2.6, ficam evidentes as “regiões” que representam as fases da substância e as mudanças de fases. Existem gráficos em que a relação Temperatura e Volume Específio é linear. Assim como para os gases ideais, onde a relação entre as propriedades que definem o estado é uma função linear.
Seção 2.9 – Equação de Estado Para “Gases Perfeitos”
A equação de estado mais simples e mais conhecida para substâncias na fase gasosa, é a equação de estado dos gases perfeitos ou ideais, que prevê, com bastante precisão, o comportamento de um gás, para uma determinada gama de valores de pressão e de temperatura. Para relacionar os valores de pressão P, de volume V, e de temperatura T, de uma massa M conhecida de um dado gás, efetuamos uma série de medições do volume V do gás, fazendo variar amplamente a pressão P a que estava submetido, e mantendo constante a sua temperatura T (T=T 1). Para cada valor de P obteríamos um valor de V. Se repetirmos este procedimento para valores diferentes da temperatura do gás (T=T (^) 2, T=T (^) 3, etc) obtemos curvas semelhantes à primeira. Por fim, se repetirmos esta série de experiências com outros gases diferentes obteríamos, para cada gás, famílias de curvas semelhantes às obtidas com o gás inicial. O valor deste limite é uma constante universal - a constante universal dos gases perfeitos R, que é dada por R=8,314 J.mol -1.K^ -1^. Através da relação citada acima podemos estabelecer várias equações de estado para gases perfeitos.
- P, V, n e T:
- P, V, m e T:
Seção 2.10 – Estados de Um Gás Perfeito Com Uma de Suas Variáveis Constantes
Temperatura e pressão reduzida
São propriedades “reduzidas” em relação aos valores no ponto crítico, que são utilizadas para traçar um diagrama comum a todas as substâncias. O diagrama generalizado de compressibilidade.
- Pressão reduzida
- Temperatura reduzida
