Um sistema fechado contendo 1 kg de água é submetido a um ciclo composto pelos seguintes processos:
Processo 1-2: Aquecimento a pressão constante de 10 bar, partindo do estado de vapor saturado.
Processo 2-3: Resfriamento à volume constante para P3=5 bar, T3=160^circ C.
Processo 3-4: Compressão isotérmica com Q34=-815.8 kJ.
Processo 4-1: Aquecimento a volume constante.
b) Qual o estado da água no ponto 3? Determine o calor removido no processo 2-3.

Passo 1

Beleza, vamos lá! Temos um problema de termodinâmica envolvendo um ciclo com água. A gente precisa descobrir dois bagulhos aqui: primeiro, qual é o estado da água no ponto 3, e segundo, determinar o calor que foi retirado no processo de 2 para 3. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos como estados termodinâmicos, propriedades da água (como pressão e temperatura) e as fórmulas do calor em processos a volume constante.

Passo 2

Primeiro, vamos identificar o estado da água no ponto 3. Sabemos que no ponto 3 a pressão ( P3) é de 5 bar e a temperatura ( T3) é de 160^circC. Para entender o estado, precisamos comparar isso com as condições de saturação da água.
A tabela de propriedades da água nos diz que, a 5 bar, a temperatura de saturação ( Tsat) é aproximadamente 151.8^circC. Como a temperatura no ponto 3 é 160^circC, que é maior que a temperatura de saturação a 5 bar, isso significa que a água está em estado superaquecido no ponto 3. Ou seja, temos vapor superaquecido nesse estado.

Passo 3

Agora, vamos calcular o calor removido no processo de 2 para 3 ( Q23). Nesse processo, a água está sendo resfriada à volume constante. Para processos a volume constante, a fórmula do calor é:
Q = Cv cdot De
Onde:
  • Cv é a capacidade térmica a volume constante.
  • De é a variação de temperatura.
Primeiro, precisamos encontrar a variação de temperatura. Sabemos que a temperatura inicial no ponto 2 é a temperatura de vapor saturado a 10 bar, que é aproximadamente 180^circC. No ponto 3, a temperatura é 160^circC. Então:
De
Agora, precisamos do valor de Cv. Para vapor de água, Cv a aproximadamente 5 bar e temperaturas envolvidas pode ser tomado de tabelas ou estimado. Vamos supor que Cv = 1.5 , kJ/kgK (esse valor pode variar dependendo das tabelas usadas).
Então:
Q23 = 1.5 , kJ/kgK times (-20 , K) = -30 , kJ/kg
Como temos 1 kg de água:
Q23 = -30 , kJ

Resposta

No ponto 3, a água está em estado de vapor superaquecido com pressão de 5 bar e temperatura de 160^circC. O calor removido no processo de 2 para 3 é de -30 , kJ.

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