Enunciado

Deduza uma expressão para a velocidade do som com base na equação de estado de van der Waals P = R ⋅ T / v -   b - a / v 2 . Usando essa relação, determine a velocidade do som no dióxido de carbono a 50   ° C   e   200   k P a , e compare o resultado com aquele obtido quando se considerou um comportamento de gás ideal. As constantes de van der Waals do dióxido de carbono são a = 364,3   k P a ⋅ m 6 k m o l 2 e   b = 0,0427   m 3 / k m o l .

Passo 1

Como a questão trata do dióxido de carbono C O 2 vamos precisar de algumas informações sobre o mesmo que podem ser encontradas a partir da tabela A - 2 b e que são

R = 0.1889 k J k g ⋅ K   e   k = 1.279       p a r a   T = 50 ° = 323.2 K

Sua massa molar é dada por

M = 44   k g / k m o l

Passo 2

Sendo assim, vamos tomar a equação de Van der Waals descrita no enunciado como

P = R ⋅ T v -   b - a v 2     i

Derivando-a em relação a v vamos obter

∂ P ∂ v T = - R T v - b 2 + 2 a v 3   i i

Devemos nos recordar que ρ = 1 / v → d ρ = - d v / v 2 , então, a relação da velocidade do som passa a ser

c 2 = k ⋅ ∂ P ∂ r T = - v 2 ⋅ k ⋅ ∂ P ∂ v T     i i i

Substituindo i i i em i i teremos

c 2 = - v 2 ⋅ k ⋅ - R T v - b 2 + 2 a v 3 = v 2 k R T v - b 2 - 2 a k v

Usando o valor de M descrito no passo anterior vamos ter que o valor das constantes a e b por unidade de massa terão o seguinte valor

a = 0.1882 k P a ⋅ m 6 k g 2   e   b = 9.705 ⋅ 10 - 4   m 3 k g

Passo 3

Podemos, agora, determinar o volume específico de C O 2 fazendo

200   k P a = 0.1882 k P a ⋅ m 6 k g 2 ⋅ 323.2   K v - 9.705 ⋅ 10 - 4   m 3 k g - 2 ⋅ ( 0.1882 k P a ⋅ m 6 k g 2 ) v 2

v = 0.3031   m 3 / k g

Sendo assim, conseguiremos determinar o valor de c substituindo o valor das constantes encontradas fazendo

c = 0.3031 m 3 k g 2 ⋅ 1.279 ⋅ 0.1889 k J k g ⋅ K ⋅ 323.2   K 0.3031 - 0.0009705 ⋅ 1000 m 2 s 2 1 k J k g - 2 ⋅ 0.1882 ⋅ 1.279 0.3031 m 3 k g 2 ⋅ 1000 m 2 s 2 1 k P a ⋅ m 3 k g 1 2

c = 277.5   m / s

No entanto, se tratarmos o C O 2 como um gás ideal, a velocidade do som se tornará

c = k R T = 1.279 ⋅ 0.1889 k J k g ⋅ K ⋅ 323.2   K ⋅ 1000 m 2 s 2 1 k J k g ≈ 279.4   m / s

Resposta

c = 277.5 m s   e   c = 279.4 m s   s e   t r a t a r m o s   C O 2   c o m o   g á s   i d e a l

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