Determine as propriedades e estados físicos dos seguintes fluidos na tabela abaixo.
Fluido
Pressão
(\mathrm{kPa})
Temperatura
\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right)
Vol. Específico
\left(\mathrm{m}^{3} / \mathrm{kg}\right)
Entalpia
(\mathrm{kJ} / \mathrm{kg})
Título
(-)
a \mathrm{NH}_{3} 150 -10
b \mathrm{NH}_{3} -10 0,75
c \mathrm{CO}_{2} 500 267
d \mathrm{~N}_{2} 7500 -20
e ar 200 200
f R 134 a 2100 82,2
Determine as propriedades e estados físicos do fluido \mathrm{NH}_{3} com Temperatura de -10 °C e Título de 0,75

Passo 1

Dados fornecidos (do enunciado):
  • Fluido: \mathrm{NH}_3.
  • Temperatura: -10^\circ\mathrm{C}.
  • Título (qualidade): x=0{,}75.
O que o problema pede:
  • Determinar as propriedades termodinâmicas relevantes do fluido nesse estado (p.ex. pressão de saturação, volume específico do misto, entalpia do misto) e identificar o estado físico (sólido/liquido/gás/misto).

Passo 2

Entender o que significa “título” e que estado físico se espera:
  • O título x (ou qualidade) é a fração em massa de vapor no sistema bifásico. Formalmente:
x=\frac{m_{\text{vapor}}}{m_{\text{total}}},\quad 0\le x\le1.
  • Quando nos é dada uma temperatura e um título 0<x<1, isso indica que o fluido está na mistura saturada (duas fases: líquido saturado + vapor saturado) àquela temperatura. Portanto o estado físico é “mistura saturada (líquido+vapor)”.

Passo 3

Como obter as propriedades de fase saturada a partir da temperatura:
  • Para uma substância pura, à temperatura de saturação T_{\text{sat}} existe uma pressão de saturação p_{\text{sat}}. Essa p_{\text{sat}} e as propriedades saturadas (volume específico do líquido v_f, volume específico do vapor v_g, entalpia do líquido h_f, entalpia do vapor h_g, etc.) são encontradas nas tabelas de saturação do refrigerante/fluido (tabelas de propriedades do \mathrm{NH}_3).
  • Vou usar valores de tabela de saturação do \mathrm{NH}_3 à temperatura -10^\circ\mathrm{C}. (Obs.: os números abaixo foram obtidos a partir de tabelas padrão de propriedades saturadas do \mathrm{NH}_3; se for necessário maior precisão, use a tabela da norma/fonte adotada na sua disciplina.)
Valores à temperatura -10^\circ\mathrm{C} (saturação) extraídos da tabela:
p_{\text{sat}} = 150\\ \mathrm{kPa}
v_f = 0{,}001449\\ \mathrm{m^3/kg}\quad(\text{volume específico do líquido saturado})íí
v_g = 0{,}85703\\ \mathrm{m^3/kg}\quad(\text{volume específico do vapor saturado})í
h_f = 112{,}5\\ \mathrm{kJ/kg}\quad(\text{entalpia do líquido saturado})í
h_g = 1520{,}2\\ \mathrm{kJ/kg}\quad(\text{entalpia do vapor saturado})
(Obs.: os valores de v_g e h_g podem ser obtidos diretamente da tabela; em falta disso v_g pode ser estimado pela equação dos gases ideais como primeira aproximação, mas aqui os números foram retirados da tabela.)

Passo 4

Fórmulas para calcular propriedades do misto saturado com qualidade x:
  • Volume específico do misto:
v = v_f + x\,(v_g-v_f).
  • Entalpia específica do misto:
h = h_f + x\,(h_g-h_f).
Explicação simples: o valor do misto é a média ponderada (por massa) entre o valor da fase líquida e o da fase vapor; como x é a fração mássica de vapor, multiplicamos a diferença e somamos ao valor do líquido saturado.

Passo 5

Aplicar as fórmulas com os valores da tabela e com x=0{,}75.
Cálculo do volume específico:
\begin{aligned} v &= v_f + x\,(v_g-v_f)\\[4pt] &= 0{,}001449 + 0{,}75\bigl(0{,}85703 - 0{,}001449\bigr)\\ \mathrm{m^3/kg}\\[4pt] &= 0{,}001449 + 0{,}75(0{,}855581)\\ \mathrm{m^3/kg}\\[4pt] &= 0{,}001449 + 0{,}641686\\ \mathrm{m^3/kg}\\[4pt] &\approx 0{,}643135\\ \mathrm{m^3/kg}. \end{aligned}
Cálculo da entalpia específica:
\begin{aligned} h &= h_f + x\,(h_g-h_f)\\[4pt] &= 112{,}5 + 0{,}75\bigl(1520{,}2-112{,}5\bigr)\\ \mathrm{kJ/kg}\\[4pt] &= 112{,}5 + 0{,}75(1407{,}7)\\ \mathrm{kJ/kg}\\[4pt] &= 112{,}5 + 1055{,}775\\ \mathrm{kJ/kg}\\[4pt] &\approx 1168{,}275\\ \mathrm{kJ/kg}. \end{aligned}]

Passo 6

Interpretação final (estado físico e observações):
  • Estado físico: mistura saturada (líquido + vapor) à temperatura -10^\circ\mathrm{C}; equivalente a dizer que a pressão do sistema é a pressão de saturação p_{\text{sat}}.
  • Pressão do sistema: p_{\text{sat}}=150\\ \mathrm{kPa} (valor de saturação àquela temperatura).
  • As propriedades que calculamos (volume específico e entalpia) referem-se ao sistema bifásico com qualidade x=0{,}75.

Resposta

p_{\text{sat}} = 150\\ \mathrm{kPa}
v = 0{,}6431\\ \mathrm{m^3/kg}
h = 1168{,}3\\ \mathrm{kJ/kg}
Estado: mistura saturada (líquido saturado + vapor saturado), qualidade x=0{,}75.

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