Diagrama pressão x entalpia

Prévia do material em texto

Definições de algumas grandezas e 
conceitos termodinâmicos 
 
Calor latente 
Calor absorvido ou cedido por uma substância quando ela muda de estado. 
Não há variação de temperatura. 
 
Calor sensível 
Calor absorvido ou cedido por uma substância sem mudança de estado físico. 
Há variação de temperatura. 
 
Condições normais 
Temperatura igual a 0ºC e pressão igual a 1 atmosfera (101 325 Pa). 
 
Estado estacionário 
Situação de um sistema na qual o comportamento observado em um instante é 
mantido no futuro. Em muitos sistemas práticos, esse estado só é atingido 
após um período inicial não estacionário ou estado transiente. 
 
Estado termodinâmico 
Um conjunto de propriedades mensuráveis que definem a condição térmica de 
uma determinada porção de uma substância. Exemplo: pressão, temperatura, 
energia interna, entalpia, entropia, massa específica. 
 
Massa atômica 
Massa de um átomo expressa em relação a 1/12 da massa do átomo de 
carbono 12. 
 
 
Massa específica 
É a massa de um corpo por unidade de volume. Se o corpo tem m kg e V m3, 
então a massa específica é 
 
 
 
Massa molecular 
A soma das massas atômicas de todos os átomos da molécula. 
 
Massa molar 
Massa por mol de uma substância simbolizado por M (kg/kmol ou g/mol). Ver 
próximo item. 
 
Mol 
Quantidade em gramas de uma substância igual à sua massa molecular. O 
número de moléculas em 1 mol de qualquer substância é constante e é 
denominado constante de Avogadro: 
 
NA ≈ 6,022 1023. 
 
Peso específico 
Peso de um corpo por unidade de volume. Se o corpo tem G newtons e V m3, 
então o peso específico é 
 
 
Relação com massa específica: 
 
γ = μ g , onde g ≈ 9,81 m/s2 (aceleração da gravidade). 
 
Propriedade (ou grandeza) específica 
Propriedade intensiva obtida pela divisão de uma propriedade extensiva por 
outra. Exemplos: massa específica, volume específico, energia interna 
específica, etc. 
 
 
 
Propriedade extensiva 
Uma grandeza física que é proporcional ao tamanho do sistema ou volume de 
controle considerado. Equivale à soma das mesmas propriedades dos sub-
sistemas que compõem o sistema principal. Exemplos: massa, volume, etc. 
 
Propriedade intensiva 
Grandeza física que não depende do tamanho do sistema. Exemplos (em 
algumas situações): pressão, temperatura, etc 
 
Sistema aberto 
Sistema que troca energia e/ou massa com a vizinhança. Uma fronteira de 
sistema que permite a passagem de massa é comumente qualificada como 
permeável. 
 
Sistema fechado 
Sistema termodinâmico que pode trocar calor ou trabalho com a vizinhança, 
mas não troca massa. 
 
Sistema isolado 
Sistema sem nenhuma interação com a vizinhança, isto é, não há troca de 
energia nem de massa. Assim, um sistema isolado obedece às leis da 
conservação: a energia e a massa permanecem constantes. 
 
Sistema termodinâmico 
A parte do ambiente ou do Universo que é objeto de estudo. O sistema é 
limitado por uma fronteira, real ou imaginária, que o separa da vizinhança, isto 
é, o restante do ambiente ou Universo. Exemplos de sistemas termodinâmicos: 
um motor, um planeta, um organismo vivo, etc. 
 
Temperatura absoluta 
Temperatura em Kelvin (K). É usualmente representada pela letra T 
(maiúscula). Se a temperatura é indicada por t (minúsculo), significa 
normalmente grau Celsius (ºC). Intervalos de temperatura podem ser dados em 
K ou ºC sem distinções porque as escalas só diferem nos pontos de referência. 
 
Volume de controle 
Um volume fixo no espaço, através do qual um fluido escoa. A superfície que 
envolve o volume de controle é denominada superfície de controle. 
 
Volume específico 
É o volume de 1 kg de massa de um corpo. Se o corpo tem m kg e V m3, então 
o volume específico é 
 
 
 
Volume molar 
Volume ocupado por 1 kmol de uma substância em determinada temperatura e 
pressão. Assim, 
 
 
 
Observação sobre símbolos em letras maiúsculas e minúsculas: não é norma rígida, 
mas em geral grandezas representadas por letras minúsculas significam específicas 
por unidade de massa. Exemplos: se o volume (em metros cúbicos, m3) de uma 
determinada porção de substância é V (maiúsculo), v (minúsculo) significa volume 
específico ou volume por massa (m3/kg). A letra U é usada para energia interna (joule, 
J) e u (minúsculo), para energia interna específica (joule por quilograma, J/kg). E 
vários outros casos que poderão ser vistos nos textos. 
 
 
 
 
 
 
 
Lei zero da termodinâmica 
 
 
Este tópico começa com uma explicação simplificada dos conceitos de trabalho e 
energia, que são grandezas da mesma espécie, mas conceitualmente diferentes. 
 
• Trabalho é produto da força pelo deslocamento na sua direção. Exemplo: se um 
corpo de peso igual a 10 newtons foi levado, por uma pessoa, a uma altura de 2 
metros, o trabalho executado nessa tarefa foi 10 x 2 = 20 joules. 
 
• Energia é a capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de 
troca para o trabalho. No exemplo anterior, para produzir os 20 joules de trabalho, o 
organismo daquela pessoa gastou 20 joules de energia. Naturalmente, a energia 
acumulada nesse organismo é muito maior. Mas, desse valor acumulado, 20 joules 
foram gastos no mencionado trabalho. Assim, pode-se dizer que a execução de um 
certo trabalho sempre implica uma variação da energia de alguma coisa. 
 
Aqui cabe também lembrar o conceito de potência, que é a relação entre o trabalho 
executado (ou variação correspondente de energia) e o tempo gasto. Se, no exemplo 
anterior, foram gastos 2 segundos, a potência desenvolvida foi 20 J / 2 s = 10 watts. 
 
Visto, portanto, que a execução de um trabalho corresponde a uma variação de 
energia. Mas nem toda variação de energia tem a contrapartida de um trabalho 
realizado. Um corpo pode transferir energia para outro devido a diferenças de energia 
cinética média das suas moléculas, ou seja, diferenças de temperaturas. Essa 
transferência de energia sem trabalho físico visível é denominada calor. 
 
Por esse conceito, é possível concluir que dois corpos na mesma temperatura estão 
em equilíbrio térmico, isto é, não há transferência de calor entre eles. E, se dois corpos 
distintos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico 
entre si. Esse princípio é também conhecido como lei zero da Termodinâmica. 
 
Portanto, calor e energia são a mesma grandeza física, mas, em outras épocas, isso 
não era perfeitamente claro. A caloria foi uma unidade criada especialmente para o 
calor e corresponde à quantidade de calor necessária para aquecer um grama de 
água de 14,5 até 15,5ºC 
 
 
 
 
 
Diagrama pressão x entalpia 
 
 
Na série termodinâmica, é dado exemplo de diagrama temperatura x entropia 
para mudanças de estado líquido/gás. É mais comum o uso do 
diagrama pressão x entalpia para o estudo do 
ciclo de refrigeração. A Figura 01 dá um exemplo típico. Aqui são considerados 
somente estados abaixo do ponto crítico (ver definição na série citada). 
 
É importante observar as linhas de propriedades termodinâmicas constantes, 
pois isso facilita a análise do ciclo. As linhas de pressão e entalpia constantes 
são obviamente retas perpendiculares aos respectivos eixos. 
 
Figura 01 
 
 
 A linha de líquido saturado marca o início da vaporização, ou seja, nela 
ainda há 100% de líquido e 0% de vapor. E pontos à sua esquerda significam 
líquidos abaixo da temperatura de vaporização ou sub-resfriados. 
 
 A linha de vapor saturado marca o fim da vaporização enela há 
100% de vapor e 0% de líquido. Pontos à direita são vapores acima da 
temperatura de evaporação, ou vapores superaquecidos. 
 
Entre as duas linhas, há misturas de líquido e vapor e as proporções de cada 
são tanto maiores quanto mais próximas das respectivas linhas de saturação. 
Considerando o vapor, as linhas verdes indicam proporções constantes (a da 
esquerda, 10% de vapor e a da direita, 90% de vapor). 
 
Notar que as linhas de temperatura constante são diferentes de acordo com a 
região do diagrama. Na área do líquido, é uma reta praticamente vertical, 
devido à sua incompressibilidade. Na vaporização (ou no processo inverso da 
condensação), é uma linha horizontal, uma vez que, sob pressão constante, há 
somente troca de calor latente. Na parte gasosa, uma curva próxima do 
formato indicado. 
 
O circuito de refrigeração 
 
 
A Figura 02 abaixo dá o esquema do circuito clássico de refrigeração. 
 
Figura 02 
 
Recebendo um trabalho externo, o compressor aumenta a pressão do 
gás, que se condensa pela troca de calor com o ambiente. 
 
Ao chegar à válvula de expansão, o gás está na fase líquida e a perda de 
carga devido ao estrangulamento reduz a pressão e o líquido é 
evaporado, retirando calor do meio que se deseja refrigerar e reiniciando 
o ciclo ao retornar para o compressor. 
 
O ciclo no diagrama 
 
 
A Figura 01 mostra o ciclo de refrigeração no diagrama pressão x entalpia. É 
uma aproximação da situação real, uma vez que, por exemplo, não são 
consideradas perdas de carga e trocas de calor nas tubulações que ligam os 
dispositivos. 
 
A compressão se dá teoricamente de forma adiabática. Portanto a linha AB é 
uma isentrópica (isso não é indicado no gráfico da Figura 01 do Tópico 
Diagrama pressão x entalpia por questão de clareza). 
 
Figura 01 
 
A condensação é isobárica e ocorre sob temperatura constante, com redução 
da entalpia do fluido pela troca de calor com o ambiente (notar que, no 
diagrama mencionado, linhas isobáricas e isotérmicas, para condensação e 
evaporação, são coincidentes). 
A expansão é isentálpica, com redução da pressão do fluido, que passa para a 
região líquido + vapor (ponto D). 
Na evaporação isotérmica e isobárica, o aumento de entalpia corresponde ao 
calor removido do refrigerador. 
 
Na saída do compressor, o vapor está superaquecido e o resfriamento para o 
início da condensação (BB') é também dado pelo condensador. Na saída do 
condensador, é comum o líquido estar sub-resfriado (C) e não na saturação 
(C'). 
 
 
Valores do ciclo de refrigeração 
 
 
A Figura 01 deste tópico contém o mesmo ciclo anterior, sem a representação 
gráfica dos dispositivos. Desde que é um processo de fluxo contínuo, os 
valores de entalpia são específicos, isto é, por unidade de massa de fluido 
(kJ/kg, kcal/kg, etc). 
 
O efeito de refrigeração é a quantidade de calor removida do refrigerador, o 
que corresponde à variação de entalpia no processo de evaporação. Assim, 
 
qref = hA − hD (A.1). 
 
O trabalho de compressão é dado por: 
 
wcomp = hB − hA (B.1). 
 
O calor cedido pelo condensador é calculado por: 
 
qcond = hC − hB (C.1). 
 
 
Figura 01 
 
Notar que o valor é negativo, significando sentido contrário ao do efeito de 
refrigeração. 
 
O coeficiente de eficiência é a relação entre o efeito de refrigeração e o 
trabalho de compressão: 
cef = 
hA − hD 
 (D.1). 
hB − hA 
 
 
A capacidade de um refrigerador Q é normalmente dada pela quantidade de 
calor removida por unidade de tempo (watt, kcal/h, etc). Assim, o fluxo de 
massa do fluido é calculado por: 
Qm = 
Q 
 
 
 (E.1). qref 
 
 
 
 
 
Portanto, a vazão volumétrica na entrada do compressor é 
 
V = Qm vA, onde vA é o volume específico em A. Substituindo os 
valores, 
V = 
Q vA 
 (F.1 ). 
hA − hD 
 
A relação de compressão é dada por: 
rcomp = 
pB 
 (G.1) . 
pA 
 
Com as igualdades informadas, é perfeitamente possível o projeto e 
cálculo de um ciclo de refrigeração para uma determinada capacidade do 
refrigerador, se disponível um diagrama pressão x entalpia com as curvas 
de volume específico e temperatura para o fluido a ser usado. 
 
Os ciclos reais, é claro, são um pouco diferente dos ideais. Além do sub-
resfriamento do líquido (C'C), o vapor na entrada do compressor está 
superaquecido, isto é, o ponto A não está exatamente na linha de 
saturação. E os processos de condensação e evaporação não são 
perfeitamente isotérmicos, ou seja, as linhas BC e DA são ligeiramente 
inclinadas.