12. Propriedades das Substâncias Puras III

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Propriedades das Substâncias Puras III
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Tabelas de Propriedades
Algumas propriedades termodinâmicas podem ser medidas com facilidade, mas outras nem tanto.
Assim, elas precisam ser calculadas utilizando-se as relações entre elas e as propriedades mensuráveis.
Os resultados dessas medições e cálculos são apresentados em tabelas com formato conveniente.
Tabelas de Propriedades
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Para cada substância, suas propriedades podem estar relacionadas em mais de uma tabela.
Uma tabela separada é preparada para cada região de interesse:
Vapor superaquecido;
Líquido comprimido;
Mistura saturada.
Tabelas de Propriedades
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Entalpia
Ao examinar as tabelas, percebem-se duas novas propriedades:
Entalpia (h);
Entropia (s).
Na análise de alguns tipos de processo (geração de potência ou refrigeração) frequentemente se encontra a combinação das propriedades u+Pv.
Entalpia
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Por uma questão de conveniência, essa combinação é definida como uma nova propriedade, a entalpia (da palavra grega enthalpien, que significa aquecer):
Entalpia
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A ampla utilização dessa propriedade se deve ao professor Richard Mollier, que estudou a importância do grupo (u+Pv) no estudo de turbinas a vapor e na representação das propriedades do vapor na forma de tabelas e gráficos.
Entalpia
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Diagrama de Mollier: P-h
Entalpia
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Líquido Saturado e Vapor Saturado
As propriedades da água nos estados de líquido e vapor saturados estão listadas em tabelas em função da temperatura e em função da pressão.
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Líquido Saturado e Vapor Saturado
O subíndice l é utilizado para indicar as propriedades do líquido saturado.
O subíndice v é utilizado para indicar as propriedades do vapor saturado.
O subíndice lv denota a diferença entre os valores de líquido saturado e de vapor saturado.
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Líquido Saturado e Vapor Saturado
A quantidade hlv é chamada de entalpia de vaporização (ou calor latente de vaporização).
Ela representa a quantidade de energia necessária para vaporizar uma massa de líquido a determinada temperatura e pressão.
Vale observar que essa propriedade diminui à medida que temperatura e/ou pressão aumentam e torna-se zero no ponto crítico.
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Líquido Saturado e Vapor Saturado
Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Durante um processo de vaporização, uma substância existe parte como líquido e parte como vapor. 
Ou seja, ela é uma mistura de líquido saturado e vapor saturado.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Para analisar adequadamente essa mistura, precisa-se conhecer as proporções de líquido e vapor.
Define-se, então, uma nova propriedade chamada de título (x), que é a relação entre a massa de vapor e a massa total da mistura.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Esta propriedade tem significado apenas para a região de mistura de líquido e vapor saturados.
Nessa região, o título pode ser uma das duas propriedades intensivas independentes necessárias para descrever um estado.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Observa-se que as propriedades do líquido saturado são as mesmas, independentemente de ele sozinho ou em uma mistura com vapor saturado. 
Durante o processo de vaporização, apenas a quantidade de líquido saturado muda, e não suas propriedades. 
O mesmo pode ser dito sobre o vapor saturado.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Uma mistura saturada pode ser tratada como uma combinação de dois subsistemas: o líquido saturado e o vapor saturado. 
Entretanto, a quantidade de massa de cada fase é geralmente desconhecida. 
Assim, é quase sempre mais conveniente supor que as duas fases se misturam bem, formando uma mistura homogêa.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Assim, as propriedades dessa “mistura” serão simplesmente as propriedades médias da mistura líquido-vapor saturada.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Considera-se um tanque contendo uma mistura de líquido e vapor saturados.
O volume ocupado pelo líquido saturado é Vl, o volume ocupado pelo vapor saturado é Vv e o volume V é o total.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Dividindo-se todos os termos por mt, tem-se:
Esta relação também pode ser expressa como:
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Dessa forma, o valor de v para uma mistura de líquido e vapor saturados está entre os valores vl e vv a uma dada T ou P.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
Os resultados para a energia interna e a entalpia estão no mesmo formato e podem ser resumidos em uma só equação:
y pode ser v, u ou h.
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Mistura de Líquido e Vapor Saturados
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Vapor Superaquecido
Como na região de vapor superaquecido temperatura e pressão não são mais propriedades dependentes, podem ser utilizadas para retirar valores das tabelas.
Vapor Superaquecido
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Quando comparado ao vapor saturado, o vapor superaquecido é caracterizado por:
Pressões mais baixas (P < Psat a uma determinada T);
Temperaturas mais altas (T > Tsat a uma determinada P);
Volumes específicos mais altos (v > vv a uma determinada P ou T);
Energias internas mais altas (u > uv a uma determinada P ou T);
Entalpias mais altas (h > hv a uma determinada P ou T).
Vapor Superaquecido
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Líquido Comprimido
Essas tabelas são difíceis de se encontrar, pois existe uma falta de dados.
Como as propriedades do líquido comprimido têm relativa independência em relação à pressão, a variação das propriedades com a pressão é muito pequena.
É necessário um aumento de 100 vezes na pressão para a variação das propriedades ser da ordem de 1%.
Líquido Comprimido
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Na ausência de dados para o líquido comprimido, uma aproximação seria tratá-lo como líquido saturado à mesma temperatura.
Suas propriedades dependem muito mais da temperatura do que da pressão.
Assim:
Na qual y é v, u ou h.
Líquido Comprimido
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Dessas três propriedades, a que mais tem sensibilidade a variações de pressão é a entalpia.
Embora a aproximação resulte em um erro desprezível para v e u, o erro em h pode ser indesejável.
Utilizando-se a equação abaixo, o erro em h pode ser reduzido para temperaturas baixas e moderadas:
Líquido Comprimido
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Em geral, um líquido comprimido é caracterizado por:
Pressões mais altas (P > Psat a uma determinada T);
Temperaturas mais baixas (T < Tsat a uma determinada P);
Volumes específicos mais baixos (v < vv a uma determinada P ou T);
Energias internas mais baixas (u < uv a uma determinada P ou T);
Entalpias mais baixas (h < hv a uma determinada P ou T).
Líquido Comprimido
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Exercícios
Um tanque rígido contém 50 kg de água líquida saturada a 90°C. Determine a pressão e o volume do tanque.
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Exercício 1
Uma massa de 200 g de água líquida saturada é completamente vaporizada a uma pressão constante de 100 kPa. Determine a variação de volume e a quantidade de energia transferida para a água.
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Exercício 2
Um tanque rígido contém 10 kg de água a 90°C. Se 8 kg de água estiverem na forma líquida e o restante na fase de vapor, determine a pressão no tanque e o volume do tanque.
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Exercício 3
Determine a temperatura da água em um estado em que P=0,5 MPa e h=2890 kJ/kg.
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Exercício 4
Determine a energia interna da água líquida comprimida a 80°C e 5 MPa utilizando dados da tabela de líquido comprimido e dados da tabela de líquido saturado. Qual o erro relativo associado?
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Exercício 5