Exercícios Resolvidos de Gráficos P - v - T para substância pura

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Enunciado

O que é o grau de superaquecimento e o grau de subresfriamento?

Passo 1

O enunciado quer saber a diferença entre dois tipos de vapor: um saturado e outro superaquecido. Precisamos responder a resposta em cinco perguntas:

  1. O que é saturação?
  2. O que é superaquecimento?
  3. O que é subresfriamento?
  4. O que é grau de superaquecimento?
  5. O que é grau de subresfriamento?

Vamos responder cada uma dessas perguntas em um passo diferente!

Cumprindo essas etapas, entenderemos com mais facilidade o que são as duas expressões que o problema pede para a gente explicar!

Passo 2

Saturação é um estado em que a substância tem a temperatura e a pressão necessárias para mudar de fase. Por exemplo: na pressão atmosférica P a t m = 101325   P a , a água muda de fase (do líquido para o vapor) a 100   ° C . Ou seja, quando o líquido e o vapor de água estão submetidos a 101325   P a de pressão e estão a 100   ° C , eles são chamados de saturados!

Ou seja, um vapor saturado é um vapor com a temperatura necessária para a substância mudar de fase a uma certa pressão. Da mesma forma, um líquido saturado é um líquido com a temperatura igual à temperatura de mudança de fase a uma certa pressão.

A união de todos os pontos de saturação forma uma região de saturação nos gráficos.

Passo 3

O superaquecimento é um estado que a substância antige, quando é esquentada após ter virado totalmente vapor. Por exemplo: na pressão atmosférica P a t m = 101325   P a , qualquer vapor que estiver acima de 100   ° C é considerado vapor superaquecido. Ele já mudou totalmente de fase. Qualquer calor adicional que ele receber vai aumentar sua temperatura!

Esse estado também pode ser alcançado, diminuindo a pressão do vapor saturado, mantendo sua temperatura constante.

Em outras, palavras, o vapor superaquecido é um vapor mais quente do que o vapor saturado à mesma pressão. Ele também pode ser entendido como um vapor com uma pressão menor do que a pressão de saturação.

A união de todos os pontos de superaquecimento forma uma região de vapor superaquecido nos gráficos.

Passo 4

O subresfriamento é um estado que a substância antige, quando é resfriada após ter virado totalmente líquido. Por exemplo: na pressão atmosférica P a t m = 101325   P a , qualquer líquido que estiver abaixo de 100   ° C é considerado líquido subresfriado. Ele já mudou totalmente de fase. Qualquer calor que ele perca para o ambiente vai diminuir sua temperatura!

Esse estado também pode ser alcançado, aumentando a pressão do líquido saturado, mantendo sua temperatura constante.

Em outras, palavras, o líquido subresfriado ou líquido comprimido é um líquido mais frio do que o líquido saturado à mesma pressão. Ele também pode ser entendido como um líquido com uma pressão maior do que a pressão de saturação.

A união de todos os pontos de subresfriamento forma uma região de líquido subresfriado nos gráficos.

Passo 5

Agora podemos responder o que é grau de superaquecimento!

Ele é a diferença entre a temperatura do vapor superaquecido e a temperatura do vapor saturado à mesma pressão.

Δ T s u p = T v , s u p - T s a t

onde:

  • Δ T s u p é o grau de superaquecimento do vapor. Ele é medido em kelvin K ou grau Celsius ° C em unidade do Sistema Internaional (S.I.);
  • T v , s u p é a temperatura do vapor superaquecido. Ela tem as mesmas unidades no S.I.;
  • T s a t é a temperatura de saturação. Ela tem as mesmas unidades no S.I.
  • Por exemplo: imagine um vapor d’água a 150   ° C à pressão atmosférica. Sua temperatura de saturação (temperatura de mudança de fase) nesta pressão vale:

    T s a t P a t m = 100   ° C

    Ou seja, o vapor está mais quente que a sua temperatura de saturação! Por isso ele é um vapor superaquecido. Logo:

    T v , s u p = 150   ° C

    Substituindo esses dois valores na fórmula de grau de superaquecimento Δ T s u p :

    Δ T s u p = T v , s u p - T s a t = 150 - 100 = 50   ° C

    Traduzindo o resultado: o vapor superaquecido do exemplo tem um grau de superaquecimento de 50   ° C .

    No gráfico T - v o grau de superaquecimento é retratado da seguinte forma:

    Passo 6

    O último passo é responder o que é grau de subresfriamento!

    Ele é a diferença entre a temperatura do líquido subresfriado e a temperatura do líquido saturado à mesma pressão.

    Δ T s u b = T s a t - T l , s u b

    onde:

  • Δ T s u b é o grau de subresfriamento do líquido. Ele é medido em kelvin K ou grau Celsius ° C em unidade do Sistema Internaional (S.I.);
  • T l , s u b é a temperatura do líquido subresfriado. Ela tem as mesmas unidades no S.I.;
  • T s a t é a temperatura de saturação. Ela tem as mesmas unidades no S.I.

Por exemplo: imagine água líquida comprimida a 9 0   ° C à pressão atmosférica. Sua temperatura de saturação (temperatura de mudança de fase) nesta pressão vale:

T s a t P a t m = 100   ° C

Ou seja, o líquido está mais frio que a sua temperatura de saturação! Por isso ele é um líquido subresfriado. Logo:

T l , s u b = 9 0   ° C

Substituindo esses dois valores na fórmula de grau de subresfriamento Δ T s u b :

Δ T s u b = T s a t - T l , s u b = 100 - 9 0 = 1 0   ° C

Traduzindo o resultado: o líquido subresfriado do exemplo tem um grau de subresfriamento de 1 0   ° C .

No gráfico T - v o grau de subresfriamento é retratado da seguinte forma:

Resposta

O grau de superaquecimento é a diferença entre a temperatura do vapor superaquecido e a temperatura do vapor saturado à mesma pressão. O grau de subresfriamento é a diferença entre a temperatura do líquido subresfriado e a temperatura do líquido saturado à mesma pressão.

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