Um tanque de paredes rígidas e adiabáticas contém 3 kg de uma mistura bifásica líquido-vapor de
. Inicialmente, a mistura se encontra a 200 kPa e o título é de
. A mistura é agitada por uma hélice até que dentro do tanque haja apenas vapor dágua. Considere que as variações de energia cinética e de energia potencial gravitacional são desprezíveis. Para o sistema formado pela água no tanque, determine a energia transferida por trabalho, em kJ.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um tanque rígido e adiabático contendo 3 kg de uma mistura de água que está parcialmente líquida e parcialmente vapor, ou seja, uma mistura bifásica. Inicialmente, essa mistura está a 200 kPa com um título (qualidade) de 84%. A mistura é agitada até que todo o conteúdo vire apenas vapor d’água. Nosso objetivo é determinar a energia transferida por trabalho durante esse processo, em kJ.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de termodinâmica, especificamente a primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados. Precisamos considerar propriedades da água nas condições dadas e entender como a energia interna muda durante o processo.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar que a primeira lei da termodinâmica para um sistema fechado é dada por:
Onde:
-
é a variação da energia interna, -
é o calor trocado, -
é o trabalho realizado pelo sistema.
Como o tanque é adiabático, não há troca de calor, ou seja,
. Além disso, o tanque é rígido, então o volume não muda e não há trabalho de expansão ou compressão (
). Porém, o trabalho realizado aqui está relacionado à agitação (trabalho de energia mecânica para converter a mistura em vapor).
Passo 3
Vamos calcular a variação da energia interna (
). Para isso, precisamos das energias internas dos estados inicial e final.
Primeiro, encontraremos a energia interna no estado inicial (
) e no estado final (
).
O estado inicial é uma mistura bifásica com qualidade (
) de 84%, ou seja, 0,84. A energia interna de uma mistura bifásica é dada por:
Onde:
-
é a massa da mistura, -
é a energia interna do líquido saturado, -
é a energia interna do vapor saturado.
Passo 4
Vamos buscar os valores de
e
na tabela de propriedades da água para a pressão de 200 kPa.
Consultando a tabela, temos:
Agora, substituímos esses valores na equação de
:
Passo 5
Calculando:
Passo 6
No estado final, todo o conteúdo é vapor saturado. A energia interna no estado final (
) é:
Usando
para 200 kPa:
Passo 7
Agora, calculamos a variação da energia interna:
Segundo a primeira lei da termodinâmica (
):
Portanto:
Resposta
A energia transferida por trabalho durante o processo é de aproximadamente -836 kJ.