Um arranjo pistão-cilindro contém vapor d’água saturado. Calor é então adicionado ao vapor, enquanto o pistão é mantido parado (apoiado sobre batentes). A pressão e a temperatura se tornam 1,2 MPa e 700^circ C, respectivamente. Mais calor é fornecido ao vapor até que a temperatura atinja 1200^circ C, com pistão se movendo de forma a manter a pressão constante. Determine (a) a pressão inicial do vapor, (b) o trabalho realizado pelo vapor sobre o pistão, (c) o calor total transferido para o vapor. ( 2,5 pontos)

Passo 1

O sistema é um fluido de água num pistão-cilindro, inicialmente em estado de vapor saturado (estado 1). A seguir aquece-se à volume constante até atingir P2=1,2 MPa e T2=700 ^circC (estado 2), e depois aquece-se à pressão constante P2 até T3=1200 ^circC (estado 3). Precisamos de tabelas de vapor para obter v,u,h nos estados 1,2 e 3 e então calcular:
(a) P1 usando v1=v2 e a tabela de vapor saturado,
(b) o trabalho W=integral P,dV,
(c) o calor total Q=Q12+Q23.

Passo 2

Obtenha da tabela de vapor superaquecido, a P2=1,2 MPa:
v2=0,0820 m^3/kg, u2=3779 kJ/kg, h2=3883 kJ/kg
E para P2=1,2 MPa, T3=1200 ^circC:
v3=0,5699 m^3/kg, u3=4421 kJ/kg, h3=4555 kJ/kg

Passo 3

Como o volume é constante no processo 1–2, v1=v2=0,0820 m^3/kg. Na tabela de vapor saturado, o valor de vg=0,0820 m^3/kg corresponde a
P1approx2,50 MPa, u1=2666 kJ/kg

Passo 4

No processo 1–2 o pistão está travado ( dV=0 ), logo o trabalho W12=0. O calor trocado é
Q12=m,(u2-u1) =1,(3779-2666) =1113 kJ

Passo 5

No processo 2–3, P= constante, logo
W23 =integral2^3P,dV =P2,(v3-v2) =1200 kPatimes(0,5699-0,0820) m^3/kg =585,5 kJ
E o calor é
Q23 =m,(h3-h2) =1,(4555-3883) =672 kJ

Resposta

(a) P1=2,50 MPa
(b) W=W12+W23=0+585,5=585,5 kJ
(c) Q=Q12+Q23=1113+672=1785 kJ

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