Termodinamica

Passo 1 – ETAPA 1

Calcular qual deve ser a pressão interna do globo

De acordo com a turbina construída por Hero, para efeito de curiosidade, era constituída por um globo, contendo água e, do qual, vapor fervente poderia escapar através de dois bocais, como mostrado na figura.

Máquina de Hero

Fogo colocado abaixo de um recipiente fervia a água e vapor escapava pelos tubos verticais, entrando no globo. Conforme o vapor era expelido pelos bocais, o globo era colocado em movimento giratório. Para que o globo gire é necessária uma força de 5N na extremidade de cada bocal, cada bocal tem o diâmetro de 0,5 cm.

Cálculos passo 1:

P= ?

F= 5 N

D= 0,5 cm → 0,005 m

Área: π D²/4 =π 0,005²/4 =19,6 x〖10〗^(-6) m²

Pressão:

P= F/A = 5 N/19,6 x〖10〗^(-6) m2 = 255102,041 Nm2→255,102 kPa

Passo 2 – ETAPA 1

Comparar a pressão exercida pelo vapor d’agua sobre o globo, encontrada no passo 1, e a pressão interna de um pneu de carro (30 PSI).

Cálculos Passo 2:

1 PSI = 6,89475 kPa 30 PSI = 206,8425 kPa

255,1026,89475 = 37 PSI

A Pressão encontrada no globo, 255,102 kPa ou 37 PSI é maior do que a pressão de um pneu de carro (30 PSI) que convertido do PSI para kPa obtém 206,8425 kPa.

Passo 3 – ETAPA 1

Calcular a fração em volume ocupada pelo vapor d’agua, sabendo que o vapor d’agua dentro do globo esta com uma titulação de 0,1 e adotando o valor de pressão encontrado no 1º passo.

Cálculos Passo 3:

V= Vl+X∙(Vv-Vl)

V= 0,001067+0,1x(0,71871-0,001067)

Volume específico:

V= 72,8313 x〖10〗^(-3)

Passo 4 – ETAPA 1

Calcular a pressão que o vapor atinge quando iniciamos o movimento do globo, de modo que o globo inicialmente tem vapor de agua superaquecido a 190 º C e os bocais se encontram vedados. Adote a pressão encontrado no passo 1.

Cálculos Passo 4

* º C para K (Kelvin)

1 K = º C + 273

K = 190 + 273 = 463 K

* Para pressão inicial: 255.102 kPa, TABELA B 1.2, encontramos T inicial: 127,43 ºC

K = 127,43 + 273 = 400,43 K

P ∙ VT = Pi ∙ VlTi → PT = PiTi →

P463 = 255,102 kPa/400,43 =P = 463 ∙ 255,102/400,43 = P = 295 kPa

ETAPA 2 – DIAGRAMA DE FASE

Essa atividade é importante para poder analisar um dispositivo bem comum, a panela de pressão.

A panela de pressão foi inventada pelo físico francês Denis Papin, que publicou em 1861 uma descrição do equipamento, denominando-o digestor. Numa reunião de cientistas da Royal Society, Papin demostrou que o seu invento era capaz de reduzir osso em gelatina comestível.

Sabemos que a agua ferve normalmente a 100º C ao nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer que seja o tempo que a agua demore a ferver nessas condições, a temperatura continuara a mesma. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da agua.

É possível a agua alcançar temperaturas maiores do que 100 º C?

É possível, contanto que a pressão seja maior do que a pressão de uma atmosfera (Patm=101kPa). É o que fazem as panelas de pressão. Como são recipientes fechados, conservam o calor e a pressão aumenta. Nessas panelas, em vez de ferver a 100 º C, a agua (e o vapor) atinge temperaturas mais altas, cerca de 120 º C.

Na figura acima, você tem um esquema de uma panela de pressão: ela tem uma tampa, vedada com uma argola de borracha; no centro da tampa há uma válvula, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima, permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas, quando a válvula central estiver entupida e houver perigo de explosão.

O aumento da pressão faz com que a agua no interior da panela entre em ebulição, a uma temperatura acima de 100 º C. A pressão do vapor d’agua, aumenta até certo limite.

Superado esse limite, ela se torna suficientemente elevada para que o vapor levante o pino da válvula e comece a sair da panela. A partir desse momento, a pressão do vapor se estabiliza porque é controlada pelo escapamento do vapor através da válvula. Em consequência, a temperatura no interior da panela também não aumenta mais.

Passo 1 – ETAPA 2

Determinar a pressão e o volume específico dentro da panela quando á água entrar em ebulição a 120ºC, com auxílio de uma tabela de vapor d’água.

Cálculos Passo 1

Na tabela B1.1 em Temperatura 120 º C, encontramos a pressão 198,5 kPa, Volume Liquido de 0,001060 m2kg, Volume Gasoso de 0,89186 m2kg

Vesp