Aula 3 - Propriedades de Uma Substância Pura
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Transcript of Aula 3 - Propriedades de Uma Substância Pura
16/11/2015
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA
IFBA - CAMPUS BARREIRAS
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Propriedades de uma substância pura
Termodinâmica
Prof.: Davi Fogaça
2
Material elaborado a partir de:
Thermodynamics: An Engineering Approach, 7th EditionYunus A. Cengel, Michael A. Boles
McGraw-Hill, 2011©
CHAPTER 3PROPERTIES OF PURE SUBSTANCES
Mehmet Kanoglu
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Introduzir 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 P-v-T e
superfícies de substâncias puras.
Demonstrar o procedimento para determinação das propriedades
termodinâmicas de substâncias puras através de tabelas de dados.
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OBJETIVOS SUBSTÂNCIA PURA
Substância pura: Uma substância que possui uma composição
química uniforme por toda extensão.
Ar é uma mistura de vários gases, mas é considerada uma subtância
pura.
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Nitrogênio e o ar sãosubstâncias puras.
Uma mistura de água líquida evapor é uma substância pura, masa mistura de ar líquido e gasosonão.
FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA
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As moléculas em umsólido são mantidas emsuas posições por forçasintermoleculares
Em um sólido, as forças atrativas erepulsivas entre as moléculastendem a mantê-las a umadistância relativamente constanteumas das outras.
FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA
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O arranjo dos átomos em diferentes fases: (a) moléculas estão em
posições relativamente fixas em um sólido, (b) grupos de moléculas se
movem uns sobre os outros na fase líquida, e (c) moléculas se movem
aleatoriamente na fase gasosa.
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PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA
SUBSTÂNCIA PURA
Líquido comprimido: Uma substância que não apresenta condiçõesde vaporizar.
Líquido saturado: Um líquido que está pronto para se vaporizar.
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A 1 atm e 20°C, a água se encontra na fase líquida (líquido comprimido).
A 1 atm e 100°C, a água se encontra como um
líquido pronto para ser vaporizado (líquido
saturado).
Mistura líquido-vapor saturado: Estado em que as fases líquido evapor coexistem em equilíbrio.
Vapor saturado: Um vapor que está pronto para condensar.
Vapor superaquecido: Um vapor que não apresenta condições parase condensar.
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PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA
SUBSTÂNCIA PURA
Como mais calor é
transferido, parte do líquido
saturado vaporiza (mistura
líquido-vapor saturado).
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A 1 atm, a temperatura
permanece constante a
100°C até que a última gota
do líquido seja vaporizada
(vapor saturado).
Como mais calor é
fornecido a
temperatura do vapor
começa a subir (vapor
superaquecido).
PROCESSO DE MUDANÇA DE FASE DE UMA
SUBSTÂNCIA PURA
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T-v diagrama para
processo de
aquecimento da
água a pressão
constante.
Se todo o processo entre os estados 1 e 5 descrito na figura éreversível por resfriamento da água, enquanto se mantém a pressãoconstante, a água irá retornará para o estado 1, percorrendo o mesmocaminho, e ao fazê-lo, o montante de calor liberado irá corresponderexatamente a quantidade de calor adicionado durante o processo deaquecimento.
TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO
A temperatura de ebulição de qualquer substância é dependenete da
pressão a que esta se encontra ou é submetida.
A água entre em ebulição (ferve) a 100C sob pressão de 1 atm.
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Curva de saturação líquido-
vapor de uma substância pura
(valores numéricos para a
água).
Temperatura de saturação Tsat:
Temperatura em que uma
substância pura muda de fase a
uma determinada pressão.
Pressão de saturação Psat:
Pressão em que uma substância
pura muda de fase a uma
determinada temperatura.
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TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO
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Calor latente: quantidade de
energia absorvida ou liberada
durante um processo de mudança
de fase.
Calor latente de fusão: quantidade
de energia absorvida durante a
fusão. É equivalente a quantidade
de energia liberada durante o
congelamento.
Calor latente de vaporização:
quantidade de energia absorvida
durante a vaporização. É
equivalente a energia liberada
durante a condensação.
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CALOR LATENTE
A magnitude do calor latente
depende da temperatura ou pressão
em que ocorre a mudança de fase.
A 1 atm de pressão, o calor latente de
fusão da água é 333,7 kJ/kg e o calor
latente de vaporização é 2256,5
kJ/kg.
A pressão atmosférica, e
consequentemente, a temperatura de
ebulição da água, diminuem com o
aumento de altitude. 14
CALOR LATENTE
15Em 1775, gelo foi feito através da evacuação do espaço de ar em um
tanque de água.
ALGUMAS CONSEQUÊNCIAS DA DEPENDÊNCIA
DA TSAT E PSAT
DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA
PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE
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T-v diagrama do processo de mudança de fase, a pressão constante, de uma
substância pura em várias pressões (valores numéricos para água).
Linha de líquido saturado
Linha de vapor saturado
Região de líquido comprimido
Região de vapor superaquecido
Região da mistura líquido-vapor
saturado (Região úmida)
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A uma pressão
supercrítica (P > Pcr),
não há um processo
distinto de mudança
de fase (ebulição)
T-v diagrama de uma substância pura
Ponto crítico: Ponto em
que os estados líquido
saturado e vapor
saturado são idênticos.
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P-v diagrama de uma substância pura.
DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA
PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE
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ESTENDENDO OS DIAGRAMAS PARA INCLUIR A
FASE SÓLIDA
19P-v diagrama de uma substância que se contrai quando congelada.
20P-v diagrama de uma substância que expande quando congelada (como
a água).
Para água,
Ttp = 0,01°C
Ptp = 0,6117 kPa
ESTENDENDO OS DIAGRAMAS PARA INCLUIR A
FASE SÓLIDA
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Sublimação: Passagem
da fase sólida diretamente
para a fase de vapor.
Sob baixas pressões
(abaixo do ponto-triplo),
sólidos evaporam sem
derreter primeiro
(sublimação).
P-T diagrama de uma substância pura.
Diagrama de Fases
22Superfície P-v-T de uma
substância que se contrai
quando congelada.
Superfície P-v-T de uma substância
que se expande quando congelada
(como a água).
As superfícies P-v-T apresentam uma grande quantidade de informações,
porém, em análises termodinâmicas é mais conveniente trabalhar com
diagramas bi-dimensionais, como os diagramas P-v e T-v.
TABELA DE PROPRIEDADES
Para muitas substâncias, a relação entre propriedades
termodinâmias é muito complexa para ser expressa por simples
equações.
Por isso, as propriedades são frequentemente apresentadas na
forma de tabelas.
Algumas propriedades termodiâmicas podem ser mensuradas
facilmente, mas outras não, sendo calculadas através das relações
das propriedades termodinâmicas apresentadas nessa tabelas.
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TABELA DE PROPRIEDADES
24
..\..\Material de referência\Tabelas termodinamicas
(agua,amonia,C02,N2,refrigerantes).pdf
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Entalpia – Uma propriedade combinada
A combinação u + Pv é frequentemente encontrada em análises de
volumes de controle..
ENTALPIAESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO E VAPOR
SATURADO Tabela A–4: Propriedades de saturação da água.
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Lista parcial da Tabela A–4.
Entalpia de vaporização, hfg (Calor
latente de vaporização): Quantidade
de energia necessária para vaporizar
uma unidade mássica de um líquido
saturado a uma determinada
temperatura ou pressão.
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Exemplos 3.1 e 3.2: Estados de líquido saturado e vapor saturado daágua em diagramas T-v e P-v.
MISTURA LÍQUIDO-VAPOR SATURADO
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Título, x : Razão entre a massa de vapor e massa total da mistura.
As propriedades do líquido saturado são as mesmas se ele existir
isoladamente ou em uma mistura com vapor saturado.
As quantidades relativas das fases
líquido e vapor de uma mistura
saturada são especificadas pelo título x.
Seu valor está entre 0 e 1:
0: Líq. Saturado 1: vapor saturado.
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Por conveniência um sistema bifásico pode ser
tratado como uma mistura homogênea.
Temperatura epressão sãopropriedadesdependentes parauma mistura.
MISTURA LÍQUIDO-VAPOR SATURADO
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O título está
relacionado às
distâncias
horizontais nos
diagramas P-v e
T-v .
O valor de v para
uma mistura líquido-
vapor saturada está
entre os valores vf e
vg a uma dada T e P.
TÍTULO DE UMA MISTURA
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y v, u, or h.
TÍTULO DE UMA MISTURA EXEMPLOS
3.3 - Um tanque rígido
contém 10 kg de água a
90°C. Se 8 kg de água
estiverem na forma líquida e
o restante estiver na forma
de vapor, determine (a) a
pressão no tanque e (b) o
volume do tanque.
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3.4 - Um vaso de 80 L contém
4 kg de refrigerante-134a a
uma pressão de 160 kPa.
Determine (a) a temperatura,
(b) o título, (c) a entalpia do
refrigerante e (d) o volume
ocupado pela fase vapor.
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EXEMPLOS VAPOR SUPERAQUECIDO
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Na região à direita da linha
de vapor saturado e
temperaturas acima da
temperatura de ponto
crítico, a substância existe
como vapor superaquecido.
Nesta região, temperatura
e pressão são
independentes.
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A uma dada P, o vapor
superaquecido possui h mais
alta que o vapor saturado.
Comparado com vapor saturado, ovapor superaquecido é caracterizadopor:
VAPOR SUPERAQUECIDO
3.5 - Determine a temperatura da água em um estado em que
P= 0,5 MPa e h = 2890 kJ/kg.
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EXEMPLO
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y v, u, ou h
Uma relação mais precisa para h:
Um líquido comprimido
pode ser aproximado como
um líquido saturado à
mesma temperatura.
As propriedades de um líquido
comprimido dependem da
temperatura muito mais que da
pressão.
LÍQUIDO COMPRIMIDO
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Líquido comprimido é caracterizado por:
A uma dade P e T, uma substância
pura existirá como um líquido
comprimido se T < Tsat@P
LÍQUIDO COMPRIMIDO
ESTADO DE REFERÊNCIA E VALORES DE
REFERÊNCIA
Os valores de u, h, e s não podem ser medidos diretamente, e por
isso são calculados a partir de propriedades mensuráveis usando as
relações entre as propriedades termodinâmicas.
Entretanto, essa relações fornecem as variações das propriedades e
não os valores da propriedades nos estados especificados.
É necessário escolher um estado de referência conveniente e atribuir
o valor zero para uma ou mais propriedades naquele estado.
O estado de referência para água é 0,01°C e para o R-134 é -40°C nas
tabelas.39
Algumas propriedades podem ter valores negativos, em consequência
do estado de referência escolhido.
Às vezes, tabelas diferentes apresentam valores diferentes para
algumas propriedades no mesmo estado devido ao uso de diferentes
estados de referência.
40
ESTADO DE REFERÊNCIA E VALORES DE
REFERÊNCIA