Aula03_p2de3_Termo_2012abr09

Prévia do material em texto

UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Campus Foz do Iguaçu / Centro de Ciências Exatas
Engenharia Mecânica
TERMODINÂMICA
 Aula 03b – Propriedades das Substâncias Puras
Parte II / III
Prof. Dr Eduardo César Dechechi
dechechi@gmail.com 
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Objetivos:
Apresentar 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 as superfícies P-v-T das substâncias puras;
Demonstrar os procedimentos para a determinação das propriedades termodinâmicas de substâncias puras a partir de tabelas de propriedades;
Descrever a substância hipotética “gás- ideal” e a equação de estado do gás ideal;
Aplicar a equação de estado do gás ideal para resolver problemas típicos;
Introduzir o fator de compressibilidade, que leva em conta o desvio entre os comportamentos dos gases ideais e o do gás ideal;
Apresentar algumas das equações de estado mais conhecidas.
Aula 03 – Propriedades das Substâncias Puras
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3. Propriedades das Substâncias Puras
3.1 Substância Pura
3.2 Fases de uma Substância Pura
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de
			Mudança de Fase
		3.5 Tabelas de Propriedades
		3.6 Equação de Estado do Gás Ideal
O Vapor d’Água é um Gás Ideal?
		3.7 Fator de Compressibilidade
		3.8 Outras Equações de Estado
Equação de Estado de van der Walls
Equação de Estado de Beattie-Bridgman
Equação de Estado de Benedict-Webb-Rubin
Equação de Estado do Virial
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3. Propriedades das Substâncias Puras
3.1 Substância Pura
3.2 Fases de uma Substância Pura
3.3 Processos de Mudança de Fase de Substâncias Puras
3.4 Diagramas de Propriedades para os Processos de
		Mudança de Fase
		3.5 Tabelas de Propriedades
Entalpia; Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Mistura de Líquido e Vapor Saturado; Vapor Superaquecido
Líquido Comprimido
		3.6 Equação de Estado do Gás Ideal
O Vapor d’Água é um Gás Ideal?
		3.7 Fator de Compressibilidade
		3.8 Outras Equações de Estado
Equação de Estado de van der Walls; de Beattie-Bridgman
Equação de Estado de Benedict-Webb-Rubin; Equação de Estado do Virial
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Para a maioria das substâncias, as relações entre as propriedades termodinâmica são complexas demais para serem expressar por meio de equações simples. 
Portanto, as propriedades quase sempre são apresentadas na forma de
tabelas.
As tabelas de vapor d’água serão utilizadas para demonstrar o uso de tabelas de propriedades termodinâmicas. 
Tabelas de propriedades de outras substâncias são usadas da mesma maneira.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Para cada substância, suas propriedades termodinâmicas podem ser relacionadas em mais de uma tabela (regiões de vapor superaquecido, líquido comprimido e de mistura saturada).
Cada tabela está relacionada com uma certa faixa de valores de T e p (um estado) e também valores de 4 outras propriedades termodinâmicas, a saber: 		v, u, h e s.
Tabelas de propriedades em unidades do SI são apresentadas nos Apêndices dos livros.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
A principal dificuldade para o usuário iniciante das tabelas termodinâmicas é que qualquer estado termodinâmico pode ser especificado por qualquer par de propriedades (p, T, v, u, h e s) independentes.
O objetivo é a determinação das 4 propriedades restantes a partir das duas independentes fornecidas. 
Se as propriedades fornecidas não são a temperatura e a pressão, pode não ser óbvia a escolha da tabela onde se encontra o estado fornecido.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Além do problema de se obter a tabela termodinâmica adequada, existe um outro problema que é o da interpolação.
Esta é necessária quando uma ou duas propriedades termodinâmicas dadas não são exatamente iguais aos valores que constam na tabela.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
As tabelas computadorizadas não apresentam os problemas descritos anteriormente, mas devemos aprender o significado, o método de construção das tabelas e as limitações destas, devido à grande possibilidade de existir situações onde será necessário a utilização de tabelas impressas.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Tabelas de Vapor d’água
BORGNAKKE & SONNTAG, 2009
Tabela B.1.1: água saturada [ f (temperatura)]
Tabela B.1.2: água saturada [ f (pressão)]
Tabela B.1.3: vapor d’água superaquecida
Tabela B.1.4: água líquida comprimida
Tabela B.1.5: saturação sólido-vapor
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Entalpia – Uma Propriedade Combinada
Ao examinar as tabelas de propriedades termodinâmicas, percebe-se duas novas propriedades: entalpia h e entropia s.
H = U + pV 		[J]
h = u + pv 		[J/kg]
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Entalpia – Uma Propriedade Combinada
Ao examinar as tabelas de propriedades termodinâmicas, percebe-se duas novas propriedades: entalpia h e entropia s.
H = U + pV 		[J]
h = u + pv 		[J/kg]
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Entalpia – Uma Propriedade Combinada
Entalpia (da palavra grega enthalpien, que significa aquecer) 
A ampla utilização da propriedade entalpia deve-se ao professor Richard Mollier, que reconheceu a importância do grupo u + pV na análise de turbinas a vapor e na representação das propriedades do vapor na forma tabular e gráfica.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
As propriedades da água nos estados de líquido e vapor saturados estão listadas nas Tabelas B.1.1 e B.1.2.
Ambas as tabelas fornecem as mesmas informações:
􀂅 Tabela B.1.1: água saturada [ f (temperatura)]
􀂅 Tabela B.1.2: água saturada [ f (pressão)]
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
􀂅 Sub-índice l : indica as propriedades do líquido saturado
􀂅 Sub-índice v : indica as propriedades do vapor saturado
􀂅 Sub-índice lv : denota a diferença entre os valores do vapor saturado e 						do líquido saturado para a mesma propriedade 
						(lv = v – l).
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
3.5 Tabelas de Propriedades
hl v = entalpia de vaporização 
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Exemplo 3-1 Pressão de um líquido Saturado em um tanque
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Exemplo 3-1 Pressão de um líquido Saturado em um tanque
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Exemplo 3-2 Variação de Volume e Energia durante a evaporação
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estados de Líquido Saturado e Vapor Saturado
Exemplo 3-2 Variação de Volume e Energia durante a evaporação
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-3 Pressão e Volume de uma Mistura Saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-3 Pressão e Volume de uma Mistura Saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Durante um processo de vaporização, uma substância existe parte como líquido e parte como vapor (mistura líquido-vapor).
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Mistura de Líquido e Vapor Saturados
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Título
Para analisar a mistura adequadamente, precisa-se conhecer as proporções das fases líquido e vapor da mistura.
Para tal, define-se uma nova propriedade chamada título (x) como a relação entre a massa do vapor e a massa total da mistura,
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Título
O título varia entre 0 e 1. O título de um sistema composto por líquido saturado é 0 (0%) e por vapor saturado é 1 (100%).
Nas misturas saturadas, o título pode ser uma das duas propriedades intensivas independentes necessárias para descrever um estado.
Uma mistura saturada pode ser tratada como uma combinação de dois subsistemas: o líquido saturado e o vapor saturado.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-3 Pressão e Volume de uma Mistura Saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-4 Pressão e Volume de uma Mistura Saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-5 Propriedades de uma mistura líquido-vapor saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-5 Propriedades de uma mistura líquido-vapor saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Exemplo 3-5 Propriedades de uma mistura líquido-vapor saturada
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Vapor Superaquecido
Como a região superaquecida é de única fase (apenas a fase vapor), a temperatura e a pressão não são mais propriedades dependentes.
Caracterização:
P mais baixas (P<Psat – p/ T);
T mais altas (T>Tsat – p/ P);
Vol. Espec. mais altos (v>vv ; p/ T ou P);
U ou u mais altas (u>uv, p/ P ou T);
H mais altas (h>hv, p/ P ou T);
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Vapor Superaquecido
Como a região superaquecida é de única fase (apenas a fase vapor), a temperatura e a pressão não são mais propriedades dependentes.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Vapor Superaquecido
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Vapor Superaquecido
Exemplo 3-5 Temperatura de um vapor superaquecido
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Vapor Superaquecido
Exemplo 3-5 Temperatura de um vapor superaquecido
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Líquido Comprimido
Tabelas de líquido comprimido não são encontradas tão facilmente. 
O formato da Tabela B.1.4 é muito parecido com o formato das tabelas de vapor superaquecido.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Líquido Comprimido
Um motivo para a falta de dados para líquido comprimido é a relativa independência das propriedades de líquido comprimido em relação à pressão.
Na ausência de dados para o líquido comprimido, uma aproximação geral seria tratar o líquido comprimido como líquido saturado à mesma temperatura. 
Isto porque as propriedades do líquido comprimido dependem muito mais da temperatura do que da pressão.
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Líquido Comprimido
Exemplo 3-6 Aproximação de líquido comprimido como liquido saturado
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Líquido Comprimido
Exemplo 3-6 Aproximação de líquido comprimido como liquido saturado
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estado de Referência e valores de referência
Valores de u, h e s não podem ser medidos diretamente, por isso são calculados a partir de propriedades mensuráveis (usando as propriedades termodinâmicas)
As relações nos fornecem as variações das propriedades e não os valores das propriedades nos estados especificados.
Definir estado de referência: valor a (estado) a ser atribuído zero:
Para água: liquido saturado a T = 0,01 °C
Para R-134A: líquido saturado a T = -40,0 °C
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estado de Referência e valores de referência
Exemplo 3-7 O uso de Tabelas de vapor d´água para a determinação das propriedades
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Estado de Referência e valores de referência
Exemplo 3-7 O Uso das Tabelas de vapor d´Água para a determinação das propriedades
3.5 Tabelas de Propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
EngenhariaMecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Estado de Referência e valores de referência
Exemplo 3-7 O Uso das Tabelas de vapor d´Água para a determinação das propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Estado de Referência e valores de referência
Exemplo 3-7 O Uso das Tabelas de vapor d´Água para a determinação das propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Estado de Referência e valores de referência
Exemplo 3-7 O Uso das Tabelas de vapor d´Água para a determinação das propriedades
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
3.5 Tabelas de Propriedades
Exercícios Çengel (3-13C – 3-59)
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Básicas
ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., 2007. Termodinâmica. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p.
Complementares
BORGNAKKE, C. & SONNTAG, R.E., 2009. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo, SP: Edgard Blücher, 659p.
MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., 2009. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p.
INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2008. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 643p.
Bibliografia
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi