Enunciado
Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 7.Problemas - Ex. 60
Um arranjo pistão-cilindro contém 5 kg de vapor de água a 100 °C com título de 50%. O vapor de água passa pelos dois seguintes processos:
1-2 Calor é transferido para o vapor de água de modo reversível, enquanto a temperatura é mantida constante até que o vapor de água se torne vapor saturado.
2-3 O vapor de água se expande em um processo adiabático e reversível até que a pressão atinja 15 kPa
(a) Trace a curva do processo em um diagrama T-s contendo as linhas de saturação
(b) Determine o calor fornecido ao vapor (em kJ) no processo 1-2.
(c) Determine o trabalho realizado pelo vapor (em kJ) no processo 2-3.
Passo 1
Entendendo o problema:
O problema consiste de um processo de duas etapas, aplicado a um sistema que inicialmente contém água sob a forma de uma mistura líquido-vapor com título de 50%, ou seja, metade da massa é líquido e metade é vapor.
Durante a primeira etapa, do estado 1 até o 2, ocorre transferência de calor para o sistema, mantendo a temperatura constante, ou seja, é um processo isotérmico. Ao fim deste processo, o sistema se encontra na forma de vapor saturado.
Durante a segunda etapa, do estado 2 até o 3, ocorre expansão do sistema de maneira adiabática, ou seja, sem transferência de calor. Como o gás se expande, o sistema volta a passar de vapor saturado para uma mistura vapor-líquido.
O diagrama temperatura x entropia demandado no item A é mostrado na Figura 1. Observe que o sistema se inicia na região de mistura líquido-vapor, ponto 1, chega ao ponto 2 no limite de vapor saturado, através de uma linha horizontal que marca a transferência isotérmica, e chega ao ponto 3 através da expansão adiabática de maneira isentrópica, ou seja, com conservação da entropia. No estado 3 o sistema volta a ser constituído por uma mistura líquido-vapor.
Figura 1: Diagrama Temperatura x Entropia para o sistema, ilustrando as duas etapas pelas quais o sistema é submetido
O problema também possui as seguintes condições:
- Ambos os processos são reversíveis
- As transferências de energia potencial e cinética são desprezíveis
- O sistema é fechado, não havendo troca de massa com o meio externo
Passo 2
Coletando dados:
Os dados de entropia, entalpia e energia interna para os estados 1,2 e 3 são obtidos consultando as tabelas A-4.A-5 e A-6 contidas no apêndice do livro
Estado 1:
-
( No estado inicial, o título da mistura líquido-vapor é 50%) 
-
(Estado de vapor saturado, não há fase líquida) 
Pelas tabelas:
Estado 2:
Pelas tabelas:
Estado 3:
-
(Etapa 2-3 isentrópica)
Pelas Tabelas:
Passo 3
Calculando o calor fornecido na etapa 1-2 e o trabalho realizado na etapa 2-3 (itens B e C)
- Etapa 1-2: Uma vez que o sistema é fechado, o processo é isotérmico e não há troca de energia sob a forma de trabalho, o balanço de energia da primeira lei da termodinâmica se reduz a:
- Etapa 2-3: Uma vez que o sistema é fechado e o processo é adiabático (transferência de calor nula), o balanço de energia da primeira lei da termodinâmica se reduz a:
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)