Um conjunto cilindro-pistão sem atrito contém
de R-134a. Inicialmente, o refrigerante se encontra a 400 kPa e ocupando um volume de 45 L . O refrigerante é então aquecido de forma isobárica por meio de transferência de calor da vizinhança, que se encontra a
, até atingir o estado de vapor saturado. Determine para esse processo:
(a) O trabalho realizado pelo
sobre a vizinhança, em kJ .
(b) O calor transferido da vizinhança para o refrigerante, em kJ.
(c) A variação de entropia do refrigerante,
.
(d) A entropia total gerada,
, durante o processo, em
.
(a) O trabalho realizado pelo
(b) O calor transferido da vizinhança para o refrigerante, em kJ.
(c) A variação de entropia do refrigerante,
(d) A entropia total gerada,
Passo 1
O enunciado dá um cilindro pistão sem atrito contendo
de R-134a. Dados iniciais e pedidos:
o processo é isobárico (mesma pressão
) e o aquecimento prossegue até o estado de vapor saturado à mesma pressão. A vizinhança está a
. Pedidos:
(a) trabalho realizado pelo R-134a sobre a vizinhança, em ;
(b) calor transferido da vizinhança para o refrigerante, em ;
(c) variação de entropia do refrigerante , em
;
(d) entropia total gerada , em
.
(a) trabalho realizado pelo R-134a sobre a vizinhança, em
(b) calor transferido da vizinhança para o refrigerante, em
(c) variação de entropia do refrigerante
(d) entropia total gerada
Passo 2
Primeiro calculemos o volume específico inicial
, que é simples e essencial:
Isso nos diz qual é a condição volumétrica inicial por unidade de massa — informação necessária para determinar se o estado inicial é líquido saturado, mistura ou vapor.
Passo 3
Agora precisamos das propriedades saturadas do R-134a à pressão fixa
. Essas propriedades vêm da tabela de saturação do R-134a; explicitamente eu usei valores de tabela saturada (peguei os valores em uma tabela padrão de propriedades do R-134a). Os valores usados são:
Obs.: sempre que usar tabelas de propriedades você deve citá-las; aqui declaro que os números acima são os da tabela de saturação do R-134a para
.
Passo 4
Determinar o estado inicial. Como
, o estado inicial é mistura líquido–vapor e podemos obter a qualidade
pela relação da mistura:
Interpretação: inicialmente cerca de
em massa é vapor saturado.
Passo 5
O estado final é vapor saturado à mesma pressão; portanto o volume total final é
A variação de volume é
Passo 6
Cálculo do trabalho realizado pelo fluido no processo isobárico. Fórmula e explicação: para um processo à pressão constante num sistema fechado cilindro-pistão, o trabalho de fronteira é
Aqui
em
multiplicado por
dá
. Então
Arredondando razoavelmente:
Passo 7
Aplicando a primeira lei da termodinâmica para sistema fechado (sem variação de energia cinética/potencial):
Precisamos de
. Primeiro calcule
(mistura) e
(vapor saturado):
Logo
Finalmente o calor transferido:
ou seja
. Explicação didática: aqui seguimos a convenção
entra no sistema,
sai (trabalho feito pelo fluido).
Passo 8
Cálculo da variação de entropia do sistema. Para mistura saturada:
Estado final:
Variação de entropia do sistema (fluido):
Arredondando:
Passo 9
Cálculo da entropia total gerada. A vizinhança é um reservatório grande a temperatura constante
. A variação de entropia da vizinhança (reservatório) por transferência de calor
para o sistema é
Portanto, a entropia total gerada (produção de entropia) é
Substituindo números:
Conferência:
, compatível com a 2ª lei (pequena geração de entropia devido à irreversibilidade do processo real de transferência de calor entre reservatório a
C e o fluido cuja temperatura de vaporização é menor).
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(b)
(c)
(d)