Um arranjo cilindro-pistão contém água a 20^circ C, pressurizada a 150 kPa pela massa do pistão e a pressão atmosférica. A água é então aquecida até tornar-se vapor saturado. Determine a temperatura final, o trabalho específico e a transferência de calor por unidade de massa para o processo. Represente o processo no diagrama Pv.

Passo 1

Vamos resumir o que a questão está pedindo e identificar os conceitos que vamos usar. Temos um sistema com água a 20^circ C e pressionada a 150 kPa pela força do pistão mais a pressão atmosférica. Essa água é aquecida até se tornar vapor saturado. Precisamos encontrar:
  1. Temperatura final do vapor saturado.
  2. Trabalho específico realizado durante o processo.
  3. Transferência de calor por unidade de massa.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de termodinâmica relacionados a processos de aquecimento de líquidos até a formação de vapor, além de entender como calcular trabalho e calor em processos termodinâmicos.

Passo 2

Primeiro, vamos determinar a temperatura final quando a água se torna vapor saturado a uma pressão de 150 kPa. Para isso, precisamos consultar uma tabela de propriedades da água (tabelas de vapor) que relaciona a temperatura e a pressão do vapor saturado.
A pressão total no sistema é a soma da pressão aplicada pelo pistão (150 kPa) e da pressão atmosférica. Se considerarmos a pressão atmosférica padrão de aproximadamente 100 kPa, a pressão total será:
Ptotal = Ppistão + Patmosférica = 150 kPa + 100 kPa = 250 kPa ãé
Consultando a tabela de vapor saturado para P = 250 kPa, encontramos a temperatura correspondente.

Passo 3

Agora, vamos calcular o trabalho específico realizado durante o processo. O trabalho em um processo de expansão ou compressão é dado pela área sob a curva no diagrama Pv (Pressão vs. Volume específico).
Para processos a pressão constante, o trabalho específico ( w) é dado por:
w = P cdot De
Onde:
  • P é a pressão constante.
  • De é a variação do volume específico.
Como a água está passando de líquido comprimido para vapor saturado, precisamos identificar os volumes específicos inicial e final.

Passo 4

Vamos determinar o volume específico inicial ( vi) e final ( vf). No estado inicial, a água está a líquido comprimido a 20^circ C e pressão total de 250 kPa. Em condições de líquido quase incompressível, o volume específico não muda muito, então podemos considerar vi approx vf para o líquido. Porém, ao se tornar vapor, o volume específico aumenta significativamente.
Consultando a tabela de vapor saturado para P = 250 kPa, encontramos o volume específico do vapor saturado ( vg).
A variação do volume específico será então:
De
Substituindo na fórmula do trabalho:
w = P cdot (vg - vf)

Passo 5

Por fim, vamos calcular a transferência de calor por unidade de massa ( q) para o processo. Usamos a primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados:
q = De
Onde:
  • hg é a entalpia do vapor saturado.
  • hf é a entalpia do líquido saturado.
Consultando novamente a tabela de vapor saturado para 250 kPa, obtemos os valores de hg e hf e calculamos a diferença para encontrar a transferência de calor.

Resposta

A temperatura final do sistema é aproximadamente 152,21^circ C. O trabalho específico realizado durante o processo é de cerca de 28,4 kJ/kg e a transferência de calor por unidade de massa é aproximadamente 2018 kJ/kg. O processo é representado como uma linha horizontal no diagrama Pv, indicando um processo a pressão constante.

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