AULA 3 - TERMODINAMICA

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CAPÍTULO 3 
PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA 
 
 MSc. Marcela Gonçalves Ferreira 
Capítulo 3 - Propriedades de uma substância Pura 
 
 
Consideramos no capítulo anterior 3 propriedades de uma subst. : 
Volume específico, pressão e temperatura. 
 
 
Nossa atenção será voltada para as subs. puras e consideramos 
algumas das fases em que uma substância pura pode existir e o 
número de propriedades independentes que pode ter. 
 
O conhecimento do comportamento das subs., através de suas 
propriedades, é essencial na análise do processo e sistema 
termodinâmico. 
 
 
Precisamos conhecer as propriedades da água para projetar ou 
selecionar, as turbinas , bombas, trocadores de calor e os vários 
equipamentos que compõem as instalações. 
 
 
 
Por exemplo: Precisamos saber os valores de temp. de evaporação da água 
na pressão do gerador de vapor, do valor da massa específica da água no 
estado encontrado e o conhecimento do valor da massa específica da água no 
estado encontrado na seção de descarga do condensador – é essencial no 
projeto da tubulação que liga o condensador à Bomba. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se essa tubulação for dimensionada incorretamente e a velocidade de 
escoamento for excessiva, a perda de pressão no escoamento da água 
líquida será significativa e ocorrerá aumento da potência necessária para 
acionar a bomba. 
É um dos exemplos 
de sistemas 
termodinâmicos 
onde uma subs. 
(fluído de trabalho) 
percorre vários 
processos. 
 
 
 
 
 
3.1) A substância Pura: 
Composição química invariável e homogênea; 
Pode existir em mais de uma fase, mas a C. Q. é a mesma 
em todas as fases; 
 
 
Subst. Pura em resumo: 
• composição química invariável e homogênea. 
• apresenta-se em uma ou mais fases. 
Ex.: água líquida, mistura de água líquida e vapor de 
água, mistura de gelo e água líquida. 
 
 
 
 
 
3.2) Equilíbrio de fases V- L- S numa substância pura: 
Consideramos como sistema a água contida no êmbolo. 
 Suponhamos Ma= 1,0 Kg; 
 Êmbolo imponham o de 0,1 Mpa no sistema ; 
Temperatura inicial= 20 
À medida que é transferido calor à água, a T aumenta consideravelmente , o 
Volume específico aumenta ligeiramente e a Pressão permanece constante; 
 
• Quando a temperatura atinge 99,6 °C , uma transferência adicional de calor 
implica numa mudança de fase ( Fig. b) . Isto é uma parte do Líquido se 
transforma em VAPOR , e durante o processo, a P e T permanecem constante mas 
o Volume específico aumenta consideravelmente. 
 
•Quando a última gota de líquido tiver vaporizado, uma transf. Adicional de calor 
resulta num aumento de Temperatura e do Volume específico. 
 
 
 
Temperatura de saturação - O termo designa a temperatura na qual se 
dá vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. 
 
Essa pressão é chamada “pressão de saturação” para a temperatura 
dada. 
 
 
Líquido Saturado - Se uma substância se encontra como líquido à 
temperatura e pressão de saturação diz-se que ela está no estado de 
líquido 
Saturado. 
 
 
 
 
Líquido Sub-resfriado - Se a temp. do líq. é menor que a Temp. de 
saturação para a pressão existente, o líquido é chamado de líquido 
sub-resfriado (significa que a temperatura é mais baixa que a 
temperatura de saturação para a pressão dada), ou líquido 
comprimido. 
 
Título (x) - Quando uma substância se encontra parte líquida e parte 
vapor, vapor úmido, Fig. 2.1-1c, a relação entre a massa de vapor pela 
massa total, isto é, massa de líquido mais a massa de vapor, é 
chamada título. 
 
 
Vapor Saturado - Se uma substância se encontra completamente 
como 
vapor na temp. de saturação, é chamada “vapor saturado”, 
 
 
 
Neste caso o título é igual a 1 ou 100% “vapor saturado seco”) 
pois a massa total (mt) é igual à massa de vapor (mv). 
 
 
Vapor Superaquecido - Quando o vapor está a uma temp. maior que 
a temperatura de saturação é chamado “vapor superaquecido”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades 
independentes,e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para 
uma pressão constante. 
 
“Em verdade, as substâncias que chamamos de gases são vapores 
altamente superaquecidos.” 
 
 vapor 
superaquecido 
vapor 
Líq .+ vapor 
Líq. 
 Líquido comprimido 
Diagrama de fases para água: T x ν 
 • Líquido – vapor líquido – vapor 
Título 
O título, x, é a fração mássica de vapor de uma mistura de fases. 
ESSE DIAGRAMA MOSTRA COMO AS FASES SÓLIDA, LÍQUIDA E 
VAPOR PODEM COEXISTIR EM EQUILÍBRIO. 
 
A B ⇒ sublimação a 
pressão constante 
 
E G ⇒ fusão a pressão 
Constante 
 
G F ⇒ vaporização a 
pressão constante 
 
G B ⇒ vaporização a 
temperatura 
Constante 
 
C D ⇒ fusão-
vaporização 
a pressão constante 
(coexistência das 
fases no ponto de 
intersecção) 
 
G H ⇒ processo 
indefinido (acima do 
ponto crítico (distinção não 
lúcida das 
fases). 
As mudanças de fase ocorrem a temperaturas e 
pressões específicas. 
 
CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES 
1) Durante a mudança de fase de L-vapor à pressão constante, a 
temperatura se mantém constante; observamos assim a formação de 
patamares de mudança de fase em um diagrama de propriedades no plano 
T x v ou P x v, como mostrado na figura abaixo.. 
 
 Quanto maior a pressão na qual ocorre a mudança de Fase líquido-vapor 
maior será a temperatura. 
Figura 2.2-1 diagrama T x v e diagrama P x v 
2) Aumentando-se a pressão observa-se no diagrama que as linhas de 
líquido saturado e vapor saturado se encontram. O ponto de encontro 
dessas duas linhas define o chamado "Ponto Crítico". 
 
Pressões mais elevadas que a pressão do ponto crítico resultam em 
mudança de fase de líquido para vapor superaquecido sem a formação 
de vapor úmido. 
 
Figura 2.2-1 diagrama T x v diagrama P x v 
 
A Figura abaixo mostra o diagrama P -V no qual é fácil visualizar as 
linhas de temperatura constante e o ponto de inflexão da isoterma 
crítica. 
Figura 2.2-1 - diagrama P x v 
Diagrama Temperatura x Volume 
• Os diagramas em geral são 
ferramentas para visualizarmos 
processos e também ajuda na 
determinação do estado do sistema; 
 
• A região dentro do chapéu é designada: 
região de equilíbrio líquido-vapor, região de 
saturação, região úmida, região de duas 
fases; 
 
• 6-10-13-c : linha de líquido saturado; 
• 8-12-14-c : linha de vapor saturado; 
 
• Região de vapor superaquecido; 
 
• Região de líquido comprimido / 
Subresfriado ; 
 
• Acima do ponto crítico a mudança de 
fase não é distinta (líquido para vapor), 
substância é designada de fluido; 
 
• Reparar no Caminho das isobáricas 
(p= cte ); 
 Diagrama Pressão – Volume Específico 
 Caminho das isotérmicas 
Diagrama de Fase da água : p x v 
Esboços dos Diagramas 
OBS: Apenas os diagramas em função de n mostram as regiões 
bifásicas (líquido + vapor). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs.: A memorização destes diagramas para análises termodinâmicas 
é de grande importância. 
 
 3.4) Tabelas de Propriedades termodinâmicas: 
•Tabela B.1.1; 
 
•Tabela B.1.2; 
 
•Tabela B.1.3 – apresenta as propriedades de vapor 
superaquecido. 
 
 A pressão e T são propriedades independentes na 
região de vapor superaquecido. Para cada p é 
fornecido um grande número de Temperaturas. 
 
Para cada Temperatura são tabeladas 4 
propriedades termodinâmicas, das quais a primeira 
é o volume específico. 
Regiões Gráficas das Tabelas de Vapor 
Tabela de Propriedades 
• Tabelas de propriedades termodinâmicas de algumas substâncias de 
interesse foram desenvolvidas (medidas e tabuladas) para auxiliar nos 
cálculos de desempenho em turbinas a vapor, reatores nucleares, 
geradores de vapor, ciclos de refrigeração,etc. 
Exemplo 3.1 
Considere a água como fluido de trabalho e os estados termodinâmicos 
definidos 
por: a ) 120 ºC e 500 kPa; b ) 120 ºC e 0,5 m3/kg. 
 
 Determine a fase de cada um 
dos estados fornecidos utilizando as tabelas do Apêndice A e indique a posição 
destes estados nos diagramas p – v, T – v, e p – T. 
 
Solução: a ) A Tabela A.1.1 indica que a pressão de saturação para a 
temperatura de 120 ºC é 198,5 kPa. 
 
Assim, a água se encontra como líquido comprimido na 
condição proposta pois a pressão fornecida é maior do que a pressão de saturação 
na mesma temperatura (analise a posição dos pontos a nos diagramas da Figura 
3.4). 
 A Tabela A.1.2 indica que a temperatura de saturação para a pressão de 500 
kPa é 151,9 ºC. 
 De modo análogo, nós podemos afirmar que a água está no estado 
de líquido comprimido porque a temperatura fornecida no problema é menor do 
que a temperatura de saturação relativa a pressão fornecida (observe a posição do 
ponto a no diagrama p – T da Figura 3.4). 
 
b ) A Tabela A.1.2 indica, para a temperatura de 120 ºC, que o volume 
específico do líquido saturado e do vapor saturado são, respectivamente, 
iguais a 0,00106 e 0,89186 m3/kg. 
 
Esses valores nos indicam que a água está no estado saturado 
(uma mistura de líquido saturado com vapor saturado cujo estado pode 
ser representado pelos pontos b dos diagramas da Figura 3.4. 
 
Os diagramas p – v e T– v são úteis para visualizar os estados saturados 
líquido-vapor. 
Tabela B.1.4: Propriedades do Líquido comprimido para demonstrar 
sua utilização. 
 
Exemplos e EXERCÍCIOS.