ATPS Termodinâmica Etapa 1 E 2

Objetivo do desafio

Este desafio é importante para que você adquira uma base conceitual sólida sobre máquinas térmicas e processos que envolvam termodinâmica.

ETAPA 1 (tempo para realização: 5 horas)

PASSOS

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.

Exemplo de propriedade específica:

Volume específico ,

Passo 1 (Equipe)

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 1.

Figura 1 - 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 necessário 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: de um globo π D2/4 = 19,6 x10^-6 m2

Cálculo de Pressão:

P= F / A => 5 N / 19,6 x 10^-6 m2 => 255102,041N m2 = > 255,102 kPa

Passo 2 (Equipe)

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

255,1026,89475 = 37 PSI ( equivalente )

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 (Equipe)

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.

V= Vl+X∙(Vv-Vl)

V= 0,001067+0,1∙ (0,71871-0,001067)

Volume específico:

V= 72,8313 ∙10-3

Passo 4 (Equipe)

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 90 º C e os bocais se encontram vedados. Adote a pressão encontrado no passo 1.

Calcular a temperatura que o vapor atinge quando iniciamos o movimento do globo, de modo que o globo inicialmente tem vapor de água superaquecido a 90°C e os bocais se encontram

vedados. Adote a pressão encontrada no 1° passo. (dica: trate o problema como uma transformação gasosa).

1 K = º C + 273

K = 90 + 273 = 363 K

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

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

P = 363 ∙ 255,102 / 400,43 = > P = 231 kPa

Na tabela TABELA B 1.2 de termodinâmica, para P = 231 kPa encontramos T: 124 ºC

ETAPA 2 (tempo para realização: 5 horas)

A panela de pressão, Figura 2, 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 ossos a 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 para ferver nessas condições, a temperatura continuará a mesma. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da água.

É possível a água alcançar temperaturas maiores do que 100ºC?

É possível, contanto que a pressão seja maior 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 100º C, a água (e o vapor) atinge temperaturas mais altas, cerca de 120º C.

Figura 2 – Panela de Pressão

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 100º C.