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Enunciado

Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 126

Uma massa de 5 kg de uma mistura de água líquida e vapor de água saturados está contida em um arranjo pistão-cilindro a 125 kPa. Inicialmente, dois quilos de água estão na fase líquida e o restante na fase vapor. Calor é então transferido para a água, e o pistão, apoiado em batentes, começa a se mover quando a pressão interna atinge 300 kPa. A transferência de calor continua até que o volume total aumente em 20 %. Determine (a) as temperaturas inicial e final, (b) a massa de água na fase líquida, quando o pistão começa a se mover e (c) o trabalho realizado durante o processo. Mostre o processo em um diagrama P-v.

Passo 1

O diagrama P-V dos processos é representado logo abaixo:

Inicialmente a água está no estado de mistura líquido-vapor a uma pressão de 125 kPa e a temperatura inicial é:

T 1 = T s a t @ 125   k P a = 106,0   ° C

Para calcular a temperatura no estado 3, precisamos saber as propriedades da água nesse estado. O volume inicial de água no cilindro é:

V 1 = m l v l + m v v v = 2 × 0,001018 + 3 × 1,3750 = 4,127   m 3

Como V 1 = V 2 , temos que o volume total e o volume específico no estado final é:

V 3 = 1,2 V 1 = 1,2 ⋅ 4,127 = 4,953   m 3

v 3 = V 3 m = 4,953 5 = 0,9905   m 3 / k g

Assim,

P 3 = 300   k P a v 3 = 0,9905   m 3 / k g T 3 = 373,6   ° C    

Passo 2

Quando o pistão começa a mover, V 2 = V 1 , e assim o volume específico em 2 é:

v 2 = V 2 m = 4,127 5 = 0,8254   m 3 / k g

que é maior que v v = 0,60582   m 3 / k g em 300 kPa. Assim, não há liquido no cilindro nesse momento.

Passo 3

O trabalho é realizado durante o processo 2-3. Como a pressão permanece constante, o trabalho é dado por:

W b = P 2 V 3 - V 2 = 300 ⋅ 4,953 - 4,127 = 247,6   k J

Resposta

T 1 = 106,0   ° C

T 3 = 373,6   ° C

W b = 247,6   k J

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