Termodinâmica Básica - AULAS 7 e 8

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Termodinâmica
Aplicada
Profa Dra. Simoni M. Gheno
simoni.gheno@docente.unip.br
Aulas 7 e 8
3ª feira (quinzenalmente)
19h10 as 20h25 e 20h45 as 22h00
intervalo: 20h25 as 20h45
mailto:Simoni.gheno@docente.unip.br
Substâncias Puras
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Entende-se por substância pura qualquer elemento que apresenta em toda a sua extensão
a mesma composição química, como por exemplo, água, nitrogênio, oxigênio, etc.
A água é uma substância de grande interesse termodinâmico, uma vez que pode coexistir
nas três fases como gelo (fase sólida), água (fase líquida) e vapor (fase gasosa) a pressões
e temperaturas acessíveis.
As substâncias podem se apresentar em diferentes fases, tais como a fase sólida, líquida ou
gasosa. Na termodinâmica as fases líquidas e gasosas são principalmente estudadas.
Dessa forma, é comum tratar líquidos e gases como fluido.
Um fluido no qual a energia será adicionada ou removida, enquanto submete-se a um
processo, será definido como fluido de trabalho – por exemplo, em automóveis a mistura
ar-combustível é o fluido de trabalho, responsável pela combustão no interior do motor.
Substâncias Puras
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A alteração da fase líquida para a gasosa pode ser denominada de ebulição, vaporização e
evaporação. Enquanto na ebulição o processo de mudança de líquido para vapor ocorre
com a formação de bolhas, na vaporização/evaporação não há formação de bolhas.
Processo de mudança da fase gasosa para a líquida é denominada condensação. Se um
sólido se transforma em gás, o processo é denominado sublimação.
mudanças de fases
Substâncias Puras
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Retas azuis - não há alteração de 
temperatura, apenas mudança de 
fase (sólido-líquido, líquido-vapor)
Retas inclinadas - as fases puras (sólido, líquido e vapor) são aquecidas e, portanto, há uma variação de
temperatura.
Substâncias Puras
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Propriedade é qualquer grandeza que descreve um sistema.
São necessárias pelo menos duas propriedades para definir o estado de um sistema simples.
Estado é especificado pelo conjunto de propriedades mensuráveis.
Um sistema se caracteriza pela quantidade de matéria, ou seja, massa. Assim, as
propriedades podem estar ou não vinculadas com a massa.
Propriedades que dependem da massa são denominadas extensivas, como por exemplo,
volume, energia total, etc.
Propriedades que independem da massa são denominadas intensivas, como por exemplo,
pressão, temperatura, etc.
Substâncias Puras
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
O volume específico (v) é representado pela razão do volume que uma substância ocupa em
relação a sua massa,
𝜌 =
𝑚
V
𝑘𝑔
𝑚3
𝑣 =
V
𝑚
=
1
𝜌
𝑚3
𝑘𝑔
Observe que o volume específico é o inverso da massa específica.
Massa específica () e volume específico (v)
A massa específica () é representada pela razão da massa de uma substância e o volume
que ela ocupa
Diagramas de Fase
Para uma substância mudar 
de fase, é necessário existir 
condições de equilíbrio de 
fases, pois para uma dada 
pressão, a temperatura 
permanecerá constante 
durante a mudança.
Representação esquemática do diagrama de fase 
p-T, apresentando-se as regiões de temperatura e 
pressão na qual cada fase pode ocorrer.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Mudança de Fase
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Várias são as situações práticas em que duas fases de uma substância pura coexistem em
equilíbrio. A água existe como uma mistura de líquido e vapor na caldeira e no
condensador de uma usina termoelétrica. O refrigerante passa de líquido para vapor no
congelador de um refrigerador.
Considere um arranjo pistão-cilindro contendo água no estado
líquido a uma pressão de 1 atm (estado 1). Nessas condições,
a água está na fase líquida e é chamada de líquido
comprimido ou líquido sub-resfriado. Isso significa que ela
não está pronta para se converter em vapor – á a fase
conhecida como líquido comprimido
Fonte: Figura 3.6, Çengel
Estado 1
Mudança de Fase
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.8, Çengel
À medida que mais calor é transferido, a temperatura continua subindo até
atingir 100 °C (estado 2). Nesse ponto, a água ainda é um líquido, mas
qualquer adição de calor fará com que o líquido se converta em vapor. Um
processo de mudança de fase de líquido para vapor está para ocorrer. Um
líquido que está pronto para se vaporizar é chamado de líquido saturado.
Após o início da ebulição (estado 3), a temperatura pára de subir até
que todo o líquido se converta inteiramente em vapor. Ou seja, a
temperatura permanecerá constante durante todo o processo de
mudança de fase se a pressão for mantida constante, uma vez que
as fases líquidas e de vapor coexistem em equilíbrio. Essa fase é
conhecida como mistura saturada de líquido-vapor
Fonte: Figura 3.7, Çengel
Estado 2
Estado 3
Mudança de Fase
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
O sistema continua a receber calor e o processo de vaporização continua até
que a última gota de líquido seja convertida em vapor (estado 4). Nesse ponto,
todo o cilindro está cheio de vapor no limite com a fase líquida, ou seja,
qualquer perda de calor por parte desse vapor fará com que parte dele se
condense (mudando de fase de vapor para líquido). Esse estado é conhecido
como vapor saturado.
Após o processo de mudança de fase, o sistema volta a estar em uma região
de única fase (fase vapor), e qualquer transferência de calor para o vapor
resulta em um aumento tanto de temperatura quanto de volume específico
(estado 5). Esse estado é conhecido como vapor superaquecido.
Fonte: Figura 3.10, Çengel
Estado 5
Estado 4
Fonte: Figura 3.9, Çengel
Diagrama Tv do 
processo de 
aquecimento a 
Pconstante para uma
SUBSTÂNCIA PURA
Nome da disciplina 11
Diagrama Tv do processo de aquecimento a Pconstante (substância pura)
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Líquido
saturado
mistura 
líquido e 
vapor 
equilíbrio
vapor saturado
vapor 
superaquecido
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.18(b), Çengel
Diagrama pv do processo de aquecimento a Tconstante (substância pura)
Temperatura de Saturação 
e Pressão de Saturação
Temperatura de Saturação (Tsat) – é a temperatura na 
qual a mudança de fase ocorre a uma determinada 
pressão.
Pressão de saturação (Psat) - é a pressão na qual uma 
substância pura muda de fase a uma determinada 
temperatura.
Tsat aumenta com a Psat
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.12, Çengel
Fonte Tabela 3.1, Çengel
Superfícies P-v-T
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.23, Çengel
Superfícies P-v-T
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
O estado de uma substância compressível simples é determinado por duas propriedades
intensivas independentes. Após a determinação adequada das duas propriedades, todas as
outras propriedades tornam-se dependentes.
Todos os diagramas bidimensionais vistos nessa
aula são apenas projeções dessa superfície
tridimensional (Figura).
Fonte: Figura 3.24, Çengel
Superfícies P-v-T
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
ponto qualquer: representa as misturas bifásicas na temperatura e na pressão especificadas
regiões bifásicas se reduzem a 
linhas
Diagramas P-v
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
substância que se 
expande durante 
a solidificação:
substância que se 
contrai durante a 
solidificação:
T< Tc: a pressão se mantém constante ao longo de uma transformação L-V
T>Tc: P se reduz continuamente a medida que o 
volume específico aumenta, não havendo passagem 
pela região bifásica líquido-vapor
As regiões monofásicas de líquido e de vapor: a pressão diminui, para uma dada temperatura a medida que o
volume específico aumenta
Diagramas T-v
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Esboço de um diagrama T-v para água
(fora de escala)
forma das linhas de 
pressão constante 
(isobáricas)
Diagramas T-v
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
P<Pc: (ex:10MPa)
P: constante em relação à 
T à durante a mudança 
de fase
Esboço de um diagrama T-v para água
(fora de escala)
Diagramas T-v
Profa. Dra.Simoni M. Gheno
região monofásica 
de líquido ou vapor: 
temperatura 
aumenta para uma 
dada pressão, à 
medida que o 
volume específico 
aumenta
Esboço de um diagrama T-v para água
(fora de escala)
Diagramas T-v
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
P≥Pc: A temperatura 
aumenta continuamente
com o volume específico 
(dada pressão) e não há 
passagem pela região 
bifásica líquido vapor
Esboço de um diagrama T-v para água
(fora de escala)
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
As propriedades da água nos estados de líquido e
vapor saturados estão listadas nas Tabs. A–4 e A–5.
Ambas as tabelas oferecem as mesmas informações.
A única diferença é que na Tab. A–4 as propriedades
estão listadas em função da temperatura e na Tab. A–5
em função da pressão.
• sub-índice l: indicar as propriedades do líquido
saturado
• sub-índice v - indicar as propriedades do vapor
saturado.
• sub-índice lv: identificar a diferença entre os valores
do vapor saturado e do líquido saturado para a
mesma propriedade.
Estados de líquido saturado e vapor saturado
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Estados de líquido saturado e vapor saturado
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Estados de líquido saturado e vapor saturado
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Estado de vapor superaquecido A região superaquecida é monofásica (fase vapor), a temperatura e a
pressão não são mais propriedades dependentes, podendo ser usadas de
forma conveniente como as duas propriedades independentes.
Exemplo 1
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Um tanque rígido contém 50 kg de água líquida saturada a
90°C. Determine a pressão e o volume do tanque
O estado da água é líquido saturado. O gráfico T versus v que
representa esse estado.
Como as condições propostas
correspondem a pressão de saturação na
temperatura de 90oC, UTILIZAREMOS a
Tabela A.4
Solução
Fonte: Figura 3.29, Çengel
… continuação do exemplo 1
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.29, Çengel
A partir da tabela identificamos que a P=Psat=70,183 kPa
Para a determinação do volume solicitado vamos lembrar que temos
a massa e a partir da Tabela A.4 extraímos o valor do volume
específico do líquido saturado a 90oC.
𝑣 =
V
𝑚
𝑉 = 𝑣 ∙ 𝑚
𝑉 = 0,0518𝑚3
Reorganizando a equação para o
cálculo do volume:
= 0,001036
𝑚3
𝑘𝑔
50𝑘𝑔
Exemplo 2
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Uma massa de 200 g de água líquida saturada é completamente
vaporizada a uma pressão constante de 100 kPa. Determine a variação
de volume
A variação de volume por unidade de massa durante o processo de
vaporização é vlv que é a diferença entre vv e vl. Esses valores podem ser
lidos na Tabela A.5, a 100kPa.
Solução
Fonte: Figura 3.31, Çengel
𝑣𝐿 = 0,001043
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣𝑣 = 1,6941
𝑚3
𝑘𝑔
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.31, Çengel
𝑣𝑣𝑙 = 𝑣𝑣 − 𝑣𝑙 = 1,6941 − 0,001043
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣𝑣𝑙 =1,6931 
𝑚3
𝑘𝑔
Como estamos trabalhando com a variação de volume específico e nos
foi solicitado a variação de volume:
∆𝑉 = 𝑚𝑣𝑣𝑙= 0,2𝑘𝑔 1,6931 
𝑚3
𝑘𝑔𝑣𝑣𝑙 =
∆V
𝑚 ∆𝑉 = 0,339𝑚3
𝑣𝐿 = 0,001043
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣𝑣 = 1,6941
𝑚3
𝑘𝑔
… continuação do exemplo 2
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Vamos testar o conhecimento 
utilizando um quiz?
4º 
QUIZ !
https://forms.office.com/r/BLrkNk1Px8
https://forms.office.com/r/BLrkNk1Px8
32
Exercício 1
Determine a temperatura da água em um estado em que
P = 0,5 MPa e h = 3.168,1 kJ/kg como mostram a Figura
ao lado e a tabela abaixo.
Resposta: 350º C
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
33
Exercício 2
Considere um pistão que mantém 3 𝑘𝑔 de água saturada, a pressão constante, em um volume
de 0,5 𝑚3. Se a temperatura da água é aumentada de 45℃ para 700℃, qual será a variação
da entalpia? A tabela termodinâmica lhe auxiliará.
(a) 11221 kJ
(b) 10224 kJ
(c) 9454 kJ
(d) 8500 kJ
(e) 7689 kJ
Resposta: letra (a)
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
T (ºC)
P 
(kPa)
Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kgK)
hl hlv hv sl slv sv
45 9,593 188,42 2394,77 2583,19 0,6386 7,5261 8,1647