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Enunciado

Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 34

Uma certa quantidade de vapor de água saturado a 200 ° C   é condensada isotermicamente para líquido saturado em um arranjo pistão-cilindro. Calcule a transferência de calor e o trabalho realizado durante esse processo, em   k J / k g .

Passo 1

Para resolver este problema, precisamos realizar um balanço de energia por unidade de massa neste sistema:

e e n t r a - e s a i =   ∆ e s i s t e m a

O lado esquerdo da equação representa a quantidade líquida de energia transferida na forma de trabalho e calor. Já o lado direito representa a variação de energia no sistema na forma de energia potencial, energia cinética ou energia interna.

Reescrevendo a equação, temos:

( q e n t r a +   w e n t r a ) - ( q s a i +   w s a i ) =   ∆ u +   ∆ k e +   ∆ p e

Como o problema não informa nada sobre uma diferença nas energias cinética e potencial dos estados inicial e final do sistema, temos que ∆ k e =   ∆ p e = 0 .

Além disso, o problema afirma que o sistema é condensado, ou seja, energia em forma de calor é retirada do sistema. Logo, q e n t r a = 0 .

Além disso, como é uma condensação, trabalho é realizado sobre o sistema para retirar o calor. Assim, w s a i = 0 .

Sendo assim, nosso balanço se torna:

w e n t r a - q s a i =   ∆ u    

Reorganizando a equação:

q s a i =   w e n t r a -   ∆ u =   w e n t r a -   ( u 2 - u 1 )

Passo 2

Para resolver esse problema devemos procurar as propriedades da água em suas tabelas termodinâmicas.

Devemos ir na Tabela A-4 (página 914) e utilizar as propriedades tabeladas.

No estado 1:

T = 200   ° C c o n d i ç ã o   d e   v a p o r   s a t u r a d o     →   ν 1 =   0,12721   m 3 / k g u 1 =   2594,2   k J / k g

No estado 2:

T = 200   ° C c o n d i ç ã o   d e   l í q u i d o   s a t u r a d o     →   ν 2 =   0 , 001157   m 3 / k g u 2 =   850,46   k J / k g

Em ambos os estados a pressão é igual à pressão de saturação, P   = P s a t = 1 5 54,9   k P a , e o processo também é um processo isobárico.

Passo 3

Devemos agora calcular o trabalho de compressão no sistema. Vamos lembrar a equação para calcular o trabalho de um processo isobárico (a pressão constante):

w f =   P ( ν 2 - ν 1 )

Substituindo os valores:

w f = ( 1554,9   k P a ) (   0,001157   m 3 / k g - 0,12721   m 3 / k g )   =   - 19 6 , 0   k J / k g

O trabalho que entra no sistema é igual ao módulo do trabalho de fronteira, ou seja:

w e n t r a =   196,0   k J / k g

Resposta

Devemos substituir os dados encontrados na equação de balanço:

q s a i =   w e n t r a -   ( u 2 - u 1 ) =   196,0   k J / k g - ( 850,46   k J / k g - 2594,2   k J / k g

q s a i =   1939 , 74   k J / k g

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