( 3 5 9 - C e n g e l - 5_ed) - Um arranjo pistão-cilindro contém inicialmente vapor dágua a 3,5 MPa com um superaquecimento de 5^circ C. Em seguida, o vapor de água perde calor para a vizinhança e o pistão desce, atingindo um conjunto de batentes. Nesse ponto
o cilindro contém água líquida saturada. O resfriamento continua até que o cilindro contenha apenas água a 200^circ C. Determine a) a temperatura inicial; b) a pressão final; c) o estado final. ( 247,6^circ C; 1555 kPa )

Passo 1

Então, o exercício diz o seguinte: temos um pistão-cilindro com vapor d’água a 3,5 MPa e “5 °C de super-aquecimento”. Aí a gente esfria, o pistão desce até bater numa trava (nesse ponto vira água líquida saturada) e daí continua esfriando até o sistema ficar só com água a 200 °C.
Matéria envolvida: termodinâmica das propriedades da água/vapor (tabelas de vapor saturado, vapor superaquecido e líquido comprimido). Vamos usar:
 – a temperatura de saturação Tsat§ das tabelas;
 – o fato de que, depois que o pistão bate, o volume é fixo (processo isocórico);
 – e que, para líquido saturado, a pressão é a pressão de saturação àquela temperatura.

Passo 2

Primeiro temos que achar a temperatura inicial T1 ;=; Trm sat(P1);+;5,^circC, . “5 °C de super-aquecimento” significa que
onde .

Passo 3

Consultando a tabela de vapor saturado para água a Trm sat(3,5 MPa) = 242,6,^circC , achamos
T1 = 242,6 + 5 = 247,6,^circC
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Passo 4

No instante em que o pistão bate nos batentes, o fluido vira água líquida saturada à mesma pressão v = vfl(P1=3,5 MPar), . Nesse ponto o volume específico é
Prm sat(200,^circC) = 1,555 MPa = 1555 kPa
e a partir daí o volume fica fixo (processo isocórico). Então continuamos resfriando até a temperatura atingir 200 °C, mantendo o mesmo . Para água líquida saturada à , a pressão de saturação na tabela é
Portanto a pressão final é essa.

Passo 5

Como estamos falando de água líquida saturada a 200 °C (fração de vapor ), o estado final é simplesmente “líquido saturado a 200 °C”.

Resposta

a) Temperatura inicial
b) Pressão final
c) Estado final: água líquida saturada a (fração de vapor ).

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