ATPS Termodinamica

PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS

Nesta etapa iniciaremos os estudos de termodinâmica, aprendendo a identificar, representar e calcular os conceitos iniciais como pressão, volume e temperatura. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva aquela que depende do tamanho (extensão) do sistema e/ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa etc.

Propriedade Intensiva - Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Pressão etc.

Propriedade Específica - Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida, dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema.

ETAPA 1

PASSO 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.

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.

P= ?

F= 5 N

D= 0,5 cm → 0,005 m

Area:

π D24 =π 0,00524 =19,6 ∙〖10〗^(-6) m2

Pboca = 5/(3,14 x 〖0,0025〗^2)

Pboca = 254777 Pa  Pboca x 2 = 509554Pa = Pbocas

Pglobo = Patm + Pbocas

Pglobo = 101325 + 509554

Pglobo = 610879 Pa

PASSO 2) 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).

- 1 PSI = 6,89475 kPa

- 30 PSI = 206,8425 kPa

 610879 / 206842 = 2,95

A pressão exercida no globo é 2,95 maior do que a pressão interna de um pneu de carro

PASSO 3) 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.

650-600/ 650-610 = 0,001104 – 0,001101 / 0,001104 – x

X= 0,0011016

Vl= 0,0011016

1,25 = 0,29268-0,31567/0,29268-x

X= 0,3111072

V= 0,0011016+0,1(0,3111072 – 0,0011016)

V= 0,03210216m3

Ti= 90°C

P = 610879Pa

PASSO 4 ) 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.

Transformação de º C para K (Kelvin)

1 K = º C + 273

K = 190 + 273 = 463 K

Para pressão inicial: 255,102 kPa, temos na TABELA B 1.2, T inicial de 127,43 ºC

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

P ∙ VT = Pi ∙ VlTi → PT = PiTi →

P463 = 255,102 kPa400,43 =P = 463 ∙ 255,102400,43 = P = 295 kPa

ETAPA 2

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 demonstrou que o seu invento era capaz de reduzir osso em gelatina comestível.

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

É possível a água 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 água (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 água no interior da panela entre em ebulição, a uma temperatura acima de 100 º C. A pressão do vapor d’água, 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) Determinar a pressão e o volume específico