Um tanque rígido de 0,1 m^3 contém inicialmente vapor de água saturado a 120^circ C. Este tanque é conectado por uma válvula a uma linha de processo onde escoa vapor a 1 MPa e 300^circ C. Agora a válvula é aberta e vapor entra no tanque. Ocorre transferência de calor entre o tanque e as vizinhanças, de tal modo que a temperatura no tanque permanece constante e igual a 120^circ C, durante todo o tempo. A válvula é fechada quando se observa que metade do volume do tanque está ocupada por água líquida. Determine:
(a) a pressão final no tanque. (198,54 kPa)

Passo 1

Vamos começar entendendo o que o exercício está pedindo. Temos um tanque rígido de 0,1 , m^3 que inicialmente contém vapor de água saturado a 120^circ C. Esse tanque está conectado a uma linha onde o vapor flui a 1 , MPa e 300^circ C. Quando abrimos a válvula, vapor entra no tanque, e ocorre transferência de calor de forma que a temperatura no tanque permanece constante em 120^circ C. A válvula é fechada quando metade do volume do tanque está ocupada por água líquida. Precisamos determinar a pressão final no tanque.
Para resolver este problema, vamos precisar dos conceitos de termodinâmica, especialmente relacionados a processos de mistura de fases (vapor e líquido) e propriedades termodinâmicas da água. Vamos utilizar tabelas de vapor d’água para encontrar as propriedades necessárias.

Passo 2

Primeiro, vamos determinar as propriedades iniciais do vapor no tanque antes da abertura da válvula. Como o vapor está saturado a 120^circ C, podemos consultar a tabela de vapor saturado para encontrar a pressão correspondente.
Consultando a tabela de vapor saturado à 120^circ C, encontramos que a pressão de saturação ( Psat) é aproximadamente 198,54 , kPa.

Passo 3

Sabemos que o tanque é rígido, ou seja, o volume não muda e permanece 0,1 , m^3. Quando a válvula é aberta, vapor a 1 , MPa e 300^circ C entra no tanque. Entretanto, devido à troca de calor com as vizinhanças, a temperatura no tanque permanece constante em 120^circ C.
Como a temperatura é constante e igual à temperatura de saturação, podemos afirmar que o vapor no tanque estará em condições de equilíbrio entre fase vapor e líquida.

Passo 4

Quando a válvula é fechada, metade do volume do tanque está ocupada por água líquida, ou seja, 0,05 , m^3 está ocupado por líquido e 0,05 , m^3 permanece como vapor.
Para encontrar a pressão final no tanque, precisamos considerar que ambos, o vapor e o líquido, estão em equilíbrio a 120^circ C, o que significa que a pressão no tanque será a pressão de saturação correspondente a essa temperatura.

Passo 5

Como já determinamos anteriormente no Passo 2, a pressão de saturação a 120^circ C é 198,54 , kPa. Portanto, essa será a pressão final no tanque após o processo.

Resposta

A pressão final no tanque é de 198,54 , kPa.

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