Prob. 02: Determine a exergia total (física + química), em kJ/kg, de um fluxo de vapor a 150 bar e
.
Passo 1
O enunciado pede a exergia total (física + química), por unidade de massa (kJ/kg), de um fluxo de vapor nas condições:
Informações relevantes dadas (explícitas ou necessárias e que eu vou assumir):
Preciso decidir a referência ambiental (estado morto). Vou assumir a referência ambiental padrão:
Obs.: estas escolhas são as mais comuns em exercícios de termodinâmica. A resolução segue sem pedir nada mais.
Passo 2
Definição e fórmula da exergia específica de fluxo (exergia física) — aula rápida e intuitiva:
A exergia específica total de um fluxo componente puro pode ser decomposta em contribuição física e química. A contribuição física (energia disponível por diferença de temperatura/pressão) é dada por
A exergia específica total de um fluxo componente puro pode ser decomposta em contribuição física e química. A contribuição física (energia disponível por diferença de temperatura/pressão) é dada por
onde:
-
é a entalpia específica do vapor no estado considerado ( ), -
é a entropia específica do vapor no estado considerado ( ), -
e são a entalpia e a entropia específica do mesmo fluido no estado de referência ambiental , -
é a temperatura absoluta do meio ambiente .
Explicação curta do porquê:
representa a energia térmica/fluxo que a massa carrega além do estado de referência;
é a parte da energia que já é indisponível por efeito de entropia (perda de capacidade de converter energia em trabalho) — então subtraímos.
Sobre a exergia química: para uma substância pura (água) quando a referência químico-composicional é o mesmo composto no estado ambiental (ou seja, a água no ambiente), a exergia química é nula. Em termos simples: não existe “potencial químico aproveitável” extra se o fluido e o ambiente têm a mesma composição química. Portanto, para vapor de água puro normalmente tomamos
Assim a exergia total específica será
Passo 3
Obtenção dos dados termodinâmicos (
e
) e dos valores de referência (
) — como ler as tabelas:
- Usei tabelas de vapor (IAPWS-IF97 / tabelas de vapor superaquecido) para o estado dado
. Das tabelas obtemos os valores específicos do vapor superaquecido:
(estes números vêm das tabelas IAPWS-IF97 para água; em provas use as tabelas que o professor fornecer.)
- Para o estado de referência ambiente (água líquida comprimida / saturada a
e ) também pelos manuais/tabelas:
Obs.: se a referência for a água líquida à temperatura ambiente, esses valores de
e
são os usuais.
Passo 4
Calcule passo a passo
e
:
Passo 5
Calcule a parcela
(explicando cálculo numérico):
Multiplicando:
Raciocínio: multiplicamos temperatura em K por entropia em
e o resultado tem unidades
, compatível com entalpia.
Passo 6
Calcule a exergia física e a exergia total:
Como explicado no Passo 2, para vapor de água puro a exergia química é nula:
Logo a exergia total específica é
Passo 7
Arredondamento final e comentário motivador:
Arredondando para 3 algarismos significativos (prática comum em provas):
Arredondando para 3 algarismos significativos (prática comum em provas):
Você conseguiu! A ideia-chave que você precisa levar para a prova: achar
e
do vapor nas condições dadas pelas tabelas, subtrair os valores de referência
do ambiente e aplicar
. Para vapor puro, não esqueça: normalmente
.