Um dispositivo cilindro-êmbolo contém 25 g de vapor de água saturado, mantido à pressão constante de 300
. Liga-se uma resistência elétrica no interior, fazendo passar
durante 5 min com uma tensão de 120 V . Ao mesmo tempo, ocorre uma perda de calor de
. a) Mostre que, para um sistema fechado o trabalho de fronteira
e a variação de energia interna
podem ser combinados num único termo,
, para um processo a pressão constante. b) Determine a temperatura final do vapor.
Passo 1
O enunciado descreve um cilindro-êmbolo com 25 g de vapor de água saturado a pressão constante de 300 kPa. Liga-se uma resistência elétrica (0,2 A, 120 V) por 5 min, gerando calor, mas simultaneamente há perda de 3,7 kJ. Vamos usar a 1ª lei da Termodinâmica para sistema fechado e as tabelas de vapor para achar a temperatura final.
Passo 2
A 1ª lei para sistema fechado é
Em processos a pressão constante, o trabalho de fronteira é
Definindo entalpia
, sua variação é
Logo, juntando as equações,
Mostramos assim que para
constante o termo
se combina em
.
Passo 3
O calor elétrico fornecido é
Subtrai-se a perda de 3,7 kJ para obter o calor líquido recebido:
Passo 4
A variação de entalpia específica é
Passo 5
Na tabela de vapor a 300 kPa (saturado) temos:
Temperatura de saturação e entalpia do vapor saturado
Temperatura de saturação
Passo 6
A entalpia no estado final é
Como
, o vapor está superaquecido a 300 kPa.
Passo 7
Consultando a tabela de vapor superaquecido a 300 kPa: a 200 °C tem
e a 210 °C tem
. Interpolando:
Resposta
203 °C (aproximadamente)