Enunciado
Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 35
Um vaso rígido de 10 incialmente contém uma mistura de líquido e vapor de água a 100 com título de 12,3%. A mistura é então aquecida até que sua temperatura seja de 150 . Calcule a transferência de calor necessária para este processo.
Passo 1
A primeira etapa para resolver este problema é entender que este é um processo isovolumétrico, pois como o vaso é rígido o volume não varia de um estado para outro.
Além disso, precisamos realizar um balanço de energia neste sistema:
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:
Como o problema não informa nada sobre uma diferença nas energias cinética e potencial dos estados inicial e final do sistema, temos que .
Além disso, o problema afirma que o sistema é aquecido, ou seja, energia em forma de calor é adicionada ao sistema. Logo, .
Além disso, como não há trabalho de fronteira no processo (pois trata-se de um tanque rígido) ou algum equipamento de eixo, não há entrada ou saída de energia na forma de trabalho, e .
Sendo assim, nosso balanço se torna:
Podemos reescrever a equação também na forma:
Passo 2
Para resolver esse problema devemos procurar as propriedades da água em suas tabelas termodinâmicas.
Primeiro, devemos ir na Tabela A-4 (página 914) e utilizar as propriedades tabeladas.
No estado 1:
Dessa maneira, podemos usar o título para calcular o valor do volume específico () e da energia interna () nessa condição de equilíbrio líquido-vapor:
Substituindo os valores encontrados:
Passo 3
No estado 2, voltamos à Tabela A-4 entrando com uma temperatura de e Ao analisar a tabela, encontramos os seguintes valores para os volumes específicos como líquido e vapor saturados:
Analisando esses dois valores de volume específico é possível notar que . Portanto, nos encontramos em uma região de equilíbrio líquido vapor, e devemos usar o volume específico para calcular o título:
Olhando novamente a Tabela A-4 na temperatura de , temos os seguintes valores de energia interna para a água como líquido e vapor saturados:
Vamos usar o título para calcular a energia interna no segundo estado:
Passo 4
Devemos agora calcular a massa de água no tanque dividindo o volume específico da água pelo volume do tanque (10 ou 0,01 ):
Resposta
Para finalizar o problema, devemos substituir os dados encontrados nos passos anteriores na equação de balanço: