O vapor de água superaquecido, inicialmente a 150 psia e
, expande-se por um bocal até à pressão de descarga de 30 psia. Sendo o processo adiabático e reversível e estando o vapor de descarga em equilíbrio, qual é o seu estado na saída do bocal?
Passo 1
O enunciado dá as seguintes informações e pede uma coisa clara:
- Dados iniciais: pressão inicial
e temperatura inicial - Processo: o vapor expande-se por um bocal adiabaticamente e de forma reversível.
- Condição na saída: a pressão de descarga é
e o vapor de descarga está em equilíbrio (isto é, saturado — pode ser vapor saturado seco ou uma mistura líquido–vapor). - Pergunta: qual é o estado do vapor na saída do bocal? (Queremos identificar se sai superaquecido, vapor saturado seco ou mistura saturada, e — se for mistura — calcular a qualidade.)
Informações relevantes listadas:
- Processo adiabático e reversível ⇒ processo isentrópico ⇒ entropia específica constante:
- Para decidir o estado à pressão
precisamos comparar com as entropias saturadas à : (líquido saturado) e (vapor saturado). - Se
→ saída superaquecida; se → vapor saturado seco; se → mistura líquido–vapor (qualidade ).
Passo 2
Entender o que significa usar tabelas de vapor e como vamos usá-las (a mini-aula prática).
- Tabelas de vapor: para cada pressão de saturação elas dão
etc. E há tabelas de vapor superaquecido que dão propriedades (entropia, entalpia) para pares quando o vapor está acima da temperatura de saturação. - O procedimento será: (a) obter
nas tabelas de vapor superaquecido para ; (b) obter e nas tabelas saturadas para ; (c) comparar com e decidir o estado; (d) se for mistura, calcular a qualidade por interpolação linear usando a relação da entropia em mistura:
onde
é a qualidade (fração mássica de vapor).
Passo 3
Calcular (ou ler) a entropia inicial
no estado superaquêcido
.
- Consultando a tabela de vapor superaquecido para
e (tabela padrão de propriedades do vapor), obtemos a entropia específica:
(Obs.: este valor vem diretamente da tabela de vapor superaquecido para as condições dadas.)
Passo 4
Ler as entropias saturadas à pressão de descarga
.
- Consultando a tabela de vapor saturado para
obtemos:
(Estes números vêm da tabela de propriedades saturadas à pressão
.)
Passo 5
Comparar
com
e
para decidir o estado na saída.
- Temos
, e (todas em ). - Observamos que
ou seja,
- Conclusão qualitativa: à pressão de 30 psia e com entropia conservada, o vapor não tem entropia suficiente para ser vapor saturado seco (isso exigiria
) nem é superaquecido; portanto é uma mistura líquido–vapor saturada (vapor úmido).
Passo 6
Calcular a qualidade
da mistura (fração mássica de vapor) usando a equação da entropia em mistura.
- A fórmula da entropia para mistura saturada é
Como o processo é isentrópico,
. Então
- Substituindo os valores lidos nas tabelas:
- Interpretação: a qualidade é aproximadamente
, ou seja, a mistura contém cerca de (em massa) de vapor e de líquido.
Resposta
Mistura saturada (vapor úmido) à pressão
, com qualidade aproximada
.