Uma massa de 200 g de água líquida saturada é completamente vaporizada a uma pressão constante de 100 kPa . Determine a quantidade de energia transferida para a água.
Passo 1
O enunciado dá as seguintes informações:
- Massa da água:
. - A água é inicialmente água líquida saturada e é completamente vaporizada à pressão constante de
.
A pergunta é: determinar a quantidade de energia transferida para a água (ou seja, o calor fornecido) durante esse processo.
Passo 2
Entendendo fisicamente o processo e a fórmula que vamos usar.
Quando uma massa de água saturada líquida é vaporizada completamente à pressão constante, o processo ocorre à temperatura de saturação correspondente àquela pressão. O calor necessário por unidade de massa para transformar água saturada líquida em vapor saturado à mesma pressão é chamado de entalpia de vaporização, denotada por
. Essa grandeza é a diferença entre a entalpia específica do vapor saturado
e a entalpia específica do líquido saturado
:
Agora, por que usamos entalpia e não apenas energia interna? Para um processo em que ocorre trabalho de expansão à pressão constante, o calor fornecido ao sistema fechado satisfaz a relação (primeira lei da termodinâmica, processo com trabalho de pressão):
Reescrevendo
(definição de entalpia específica), obtemos
Portanto, o calor total necessário para vaporização é simplesmente a massa multiplicada por
.
Passo 3
Obter os valores das propriedades térmicas (peguei estes valores em uma tabela de vapor saturado para
).
Dos dados de propriedades do vapor saturado à pressão
tem-se, por exemplo:
(Valores típicos de tabela de vapor saturado; qualquer tabela confiável de propriedades do vapor d’água dá números equivalentes).
Passo 4
Converter a massa para unidades SI coerentes e aplicar a fórmula.
Converter
:
Usar
:
Arredondando de forma adequada (massa dada com 2 algarismos significativos), podemos dar o resultado com três algarismos significativos:
Em joules isso corresponde a
.
Passo 5
Resumo interpretativo curto: o calor fornecido é a energia necessária para vencer as ligações/energia de coesão e expandir o líquido até vapor à pressão dada; essa energia por unidade de massa é o
na tabela de vapor saturado àquela pressão. Multiplicando pelo massa obtém-se o calor total.