Esboce o diagrama
. Identifique os quatro estados, as regiões (superaquecido, mistura, líquido comprimido) e o sentido do fluxo de calor. Explique qualitativamente o comportamento do volume específico no processo 3-4.
Passo 1
O enunciado pede quatro coisas, e não fornece números — apenas uma tarefa qualitativa. Vou listar claramente o que é pedido e as hipóteses que vou assumir para poder responder sem ambiguidade.
-
O que o enunciado pede:
- Esboçar o diagrama
- com os quatro estados numerados . - Identificar, no diagrama, as três regiões: superaquecido, mistura (bifásica) e líquido comprimido (subresfriado).
- Indicar o sentido do fluxo de calor (onde entra e sai calor no ciclo).
- Explicar qualitativamente o comportamento do volume específico no processo
.
- Esboçar o diagrama
-
Informações / hipóteses que vou usar (porque enunciado não dá dados numéricos):
- Trata-se de um ciclo típico com quatro estados (o enunciado não especifica o tipo; usar-se-á o ciclo de compressão de vapor / vaporização típico com compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador — esse é o caso clássico com quatro pontos).
- O fluido de trabalho é uma substância pura com curva de saturação bem definida (cúpula de vapor no diagrama
- ). - Pontos 2→3 representam condensação a pressão alta, 3→4 é expansão pela válvula (isentálpica aproximada), 4→1 é evaporação a baixa pressão, 1→2 é compressão (aprox. adiabática/isentrópica).
- Não vou usar números; a resposta será qualitativa e com uma explicação física e fórmulas gerais.
Passo 2
Como esboçar o diagrama
-
(passo a passo para desenhar à mão na prova):
- Desenhe dois eixos: vertical para pressão
e horizontal para volume específico . Rotule os eixos (vertical) e (horizontal). - Esboce a cúpula de saturação (forma de campânula): à esquerda a curva de líquido saturado (linha de saturação líquida), à direita a curva de vapor saturado, e o ponto mais alto da cúpula é o ponto crítico. A região abaixo da cúpula é mistura (bifásica); à esquerda da cúpula é líquido comprimido (sub-resfriado) e à direita é vapor superaquecido.
- Marque um ponto de baixa pressão sob a cúpula (evaporador) e um ponto de alta pressão acima (condensador). Agora posicione os quatro estados típicos do ciclo:
- Estado
: saída do evaporador, na borda direita da cúpula (ou pouco à direita) — geralmente saturado vapor ou vapor úmido aproximando-se de saturado (começa o compressor). - Estado
: saída do compressor, à direita e bem acima da cúpula — superaquecido (pressão alta). - Estado
: saída do condensador, à esquerda da cúpula, perto da linha de líquido saturado (saturado líquido) ou um pouco à esquerda (líquido comprimido / sub-resfriado). - Estado
: saída da válvula de expansão, em pressão baixa, dentro da cúpula — mistura líquido+vapor (qualidade entre 0 e 1).
- Estado
- Ligue os estados na ordem do ciclo:
(compressão, sobe em com pequeno aumento em ), (condensação, queda em à pressão alta — atravessa desde vapor superaquecido até líquido), (expansão/estrangulamento — salto para baixa pressão, entra na região de mistura), (evaporação, aumenta enquanto o fluido vaporiza até ficar saturado vapor).
Passo 3
Identificação das regiões do diagrama e como reconhecê-las (o que desenhar e rotular):
-
Região superaquecida:
- Local: à direita da curva de vapor saturado.
- Característica: o fluido é todo vapor e a temperatura está acima da temperatura de saturação para aquela pressão.
- No esboço: área à direita da cúpula; o ponto
(após compressão) normalmente fica aqui. Rotule “Superaquecido”.
-
Região mistura (bifásica):
- Local: interior da cúpula de saturação, entre as curvas líquido saturado (esquerda) e vapor saturado (direita).
- Característica: coexistência de líquido e vapor; variável importante é a qualidade
(fração mássica de vapor). - Fórmula da propriedade extensiva específica (volume específico da mistura):
onde é o volume específico da mistura, é o volume específico do líquido saturado, é o volume específico do vapor saturado, e é a qualidade (fração mássica de vapor). - No esboço: rotule a região interna como “Mistura”.
-
Região líquido comprimido (sub-resfriado):
- Local: à esquerda da curva de líquido saturado.
- Característica: todo líquido, temperatura abaixo da de saturação àquela pressão. Volume específico muito pequeno comparado ao vapor.
- No esboço: rotule à esquerda da cúpula “Líquido comprimido / Sub-resfriado” (a saída do condensador
pode estar aqui se houver subresfriamento).
Passo 4
Sentido do fluxo de calor e a interpretação no diagrama:
-
Onde o calor entra:
- Evaporador, processo
: o fluido aquece/evapora a baixa pressão, absorvendo calor do ambiente frio (é aí que o sistema retira calor do espaço refrigerado). No diagrama - , isso é o traço horizontal (aprox.) sob a cúpula indo de mistura para vapor saturado (ou para a direita). - Notação: o calor entra para o fluido; escreva
apontando para o processo .
- Evaporador, processo
-
Onde o calor sai:
- Condensador, processo
: o fluido libera calor para o ambiente quente (condensa de vapor superaquecido → vapor saturado → líquido), rejeitando calor. No diagrama, é o traço horizontal superior (pressão alta) da direita para a esquerda. - Notação: o calor sai do fluido; escreva
apontando para o processo .
- Condensador, processo
-
Observações sobre compressão e expansão:
- Compressão
: trabalho de entrada no fluido (compressor); idealmente adiabática/isentrópica, então sem calor trocado (na prática pode haver perdas). - Expansão
: dispositivo de estrangulamento (válvula) — processo aproximadamente isenthalpico: Não é um processo de troca de calor relevante; é uma queda de pressão com flash-evaporação interna.
- Compressão
Passo 5
Explicação qualitativa do comportamento do volume específico no processo
(essa é a parte que costuma gerar dúvida; vamos destrinchar com calma):
-
O que é volume específico? É o volume por unidade de massa:normalmente em
. Para líquido saturado é muito pequeno; para vapor saturado é muito maior. -
Estado
: antes da válvula de expansão o fluido está em alta pressão e geralmente na forma de líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado. Portanto é próximo de (valor pequeno). -
O que acontece na válvula (processo
)? - A válvula causa uma queda brusca de pressão; o processo é, para a maioria das análises práticas, aproximadamente isenthalpico:
- Ao reduzir a pressão, a condição de equilíbrio muda: a mesma entalpia à nova pressão baixa corresponde, em geral, a uma mistura líquido-vapor (parte do líquido “flasha” em vapor). Isso chama-se flash-evaporação.
- Consequência física: a fração mássica de vapor
após a válvula aumenta a partir de praticamente (se era líquido saturado) para um valor . Como o vapor ocupa muito mais volume que o líquido, o volume específico do fluido salta para um valor bem maior.
- A válvula causa uma queda brusca de pressão; o processo é, para a maioria das análises práticas, aproximadamente isenthalpico:
-
Use a expressão do volume específico da mistura para ver o efeito:
- Aqui
e são os volumes específicos do líquido e do vapor saturado à pressão baixa . - Como
é tipicamente centenas a milhares de vezes maior que , mesmo um pequeno faz aumentar muito em relação a .
- Aqui
-
Exemplo numérico ilustrativo (apenas para intuição):
- Suponha (apenas números ilustrativos)
e à pressão baixa. Se após a válvula (20% em massa é vapor), comparado com antes da válvula: um aumento enorme do volume específico. Isso mostra por que no diagrama - o ponto fica bem mais à direita (maior ) do que .
- Suponha (apenas números ilustrativos)
-
Resumo qualitativo:
- No trecho
ocorre uma queda de pressão com flash de parte do líquido em vapor. - A qualidade
aumenta e, por causa do grande valor de , o volume específico aumenta fortemente. - Assim, no esboço
(lado esquerdo da cúpula) salta para dentro da cúpula com .
- No trecho
Passo 6
Como marcar tudo claramente no esboço final (o que escrever na prova para ficar impecável):
- Desenhe a cúpula e marque e rotule os pontos
conforme expliquei. - Ao lado de
escreva: “compressor: trabalho in; aprox. adiabático/isentrópico”. - Ao lado de
escreva: “condensador: rejeição de calor , vapor → líquido”. - Ao lado de
escreva: “válvula de expansão: isenthalpico ; flash → mistura; aumenta”. - Ao lado de
escreva: “evaporador: absorve calor ; mistura → vapor”. - Rotule as regiões: “Líquido comprimido (sub-resfriado)” à esquerda da cúpula, “Mistura (bifásica)” dentro da cúpula, “Superaquecido” à direita da cúpula.
- Adicione setas para
(para dentro na linha ) e (para fora na linha ). Também coloque uma seta indicando trabalho no compressor .
Resposta
Esboço: cúpula de saturação no gráfico
-
com os pontos e ligações
conforme descrito (1: saída do evaporador; 2: saída do compressor, superaquecido; 3: saída do condensador, líquido saturado ou sub-resfriado; 4: saída da válvula, mistura).
Regiões:
- Superaquecido: à direita da cúpula.
- Mistura (bifásica): interior da cúpula.
- Líquido comprimido (sub-resfriado): à esquerda da cúpula.
Sentido do fluxo de calor:
- Calor entra no fluido no evaporador (processo
, ). - Calor sai do fluido no condensador (processo
, ).
Comportamento do volume específico em
:
- A queda de pressão na válvula causa flash-evaporação (processo aproximadamente isenthalpico
), aumentando a qualidade . - O volume específico da mistura aumenta fortemente porque
e ; logo mesmo pequeno leva a .