Enunciado

Um arranjo pistão-cilindro que não sofre atrito inicialmente contém 50 L de refrigerante- 134a líquido saturado, O pistão está livre para se mover e sua massa é tal que mantém uma pressão de 500 kPa sobre o refrigerante. O refrigerante é então aquecido até que sua temperatura atinja 70 °C, calcule o trabalho realizado durante esse processo.

Passo 1

O enunciado do problema pede para encontrarmos o trabalho realizado no aquecimento isobárico (a pressão constante de 500 kPa) de 50 L de Refrigerante 134-a.

Em primeiro lugar, devemos calcular as propriedades do refrigerante nos estados inicial e final a partir das suas tabelas termodinâmicas.

Primeiro, devemos considerar o estado 1, com Refrigerante 134-a como líquido saturado a 500 kPa. Consultando a Tabela A-12 (página 928), podemos encontrar o volume específico para o estado 1:

P 1 =   5 00   k P a c o n d i ç ã o   d e   l í q u i d o   s a t u r a d o   → ν 1 = ν l í q u i d o   s a t u r a d o   = 0 , 0008059   m ³ / k g  

Consideramos agora o estado 2, onde a temperatura é de 70 °C e a pressão continua a 300 kPa. Consultando novamente a Tabela A-12, vemos que para uma pressão de 500 kPa a temperatura de saturação do Refrigerante 134-a é de 15,71°C. Como T 2 >   T s a t , então o refrigerante está num estado de vapor superaquecido.

A Tabela A-13 (página 930) apresenta as propriedades do Refrigerante 134-a em uma condição de vapor superaquecido. Entrando com os valores de temperatura e pressão no estado 2, podemos encontrar o valor do volume específico:

P 2 =   P 1 =   5 00   k P a   ( 0,5   M P a ) T 2 =   7 0   ° C   → ν 2 = 0 , 052427   m ³ / k g  

Passo 2

Antes de calcular o trabalho, devemos encontrar a massa de refrigerante no arranjo pistão-cilindro. Para isso, basta dividir o volume inicial de 50 L (0,05 m³) de refrigerante pelo volume específico no estado 1 encontrado no passo anterior:

m =   V ν 1 =   0,05   m ³ 0,0008059   m ³ / k g   = 62,04   k g

Resposta

Para resolver o problema, devemos lembrar da equação para calcular o trabalho de fronteiro de um processo a pressão constante:

W f =   m ∫ 1 2 P d v = m P ( ν 2 - ν 1 )

Substituindo as variáveis na equação:

W f = m P ν 2 - ν 1 = 62,04   k g ( 5 00   k P a ) ( 0,052427     m ³ / k g   - 0,0008059     m ³ / k g   )  

W f = 1601,35   k J

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