Entalpia H

Teoria Completa

O que é entalpia H ?

Nós já vimos que precisamos do valor de apenas duas propriedades intensivas independentes para determinar o valor de todas as outras propriedades e definir um estado termodinâmico. Por causa disso, quanto mais propriedade termodinâmica existir, maior a nossa chance de conhecer o valor de duas propriedades e fixar um estado!

Existe uma propriedade que aparece muito nos exercícios de termodinâmica e que ainda não foi mostrada. Em muitas questões, o seu valor é conhecido ou facilmente calculado. Por isso, ela pode facilitar a nossa vida na hora de definir um estado! Ela é uma combinação entre pressão P , volume V e energia interna U chamada de entalpia H !

H = U + P ⋅ V

Sua unidade de medida no Sistema Internacional (S.I.) é o joule J , mas é comum ver seu valor em quilojoule k J . Nessa fórmula, a pressão P é a pressão absoluta em pascal P a no S.I.!

A entalpia é uma propriedade extensiva. Ou seja, a entalpia total de um sistema é igual à soma do valor das entalpias de cada parte desse sistema.

Entalpia específica h

Nós temos um problema para resolver! Foi dito que somente propriedades intensivas são capazes de definir um estado. No entanto, a entalpia é uma propriedade extensiva! Como ela pode ajudar a gente? Ela é útil, porque conseguimos criar uma propriedade intensiva a partir dela! Essa nova propriedade intensiva se chama entalpia específica h !

h = H m

onde:

  • h é a entalpia específica. Sua unidade no S.I. é o joule por quilograma J k g . No entanto, nas tabelas de propriedade, ela aparece em quilojoule por quilo k J k g ;
  • H é a entalpia do sistema;
  • m é a massa do sistema. Ela é medida em quilograma k g de acordo com o S.I.

Então como a gente poderia calcular a entalpia específica com essa fórmula? Vamos exercitar!

Qual seria a entalpia específica h de 0,2   k g de água líquida? Considere que a entalpia H da água vale 17728   J ?

h = 17728 0,2 = 88640   J k g

Como calcular a energia interna específica u , conhecendo a entalpia específica h ?

Nem sempre as tabelas de propriedades têm os valores de energia interna específica u . Algumas vezes elas só mostram os valores de entalpia específica h . Por causa disso, seria muito útil se existisse uma fórmula de u em função de h , né? Ela existe! Para encontrá-la, precisamos substituir a expressão da entalpia H na fórmula de entalpia específica h .

h = U + P ⋅ V m ⟹ h = U m + P ⋅ V m

Se a gente lembrar que a energia interna U dividida pela massa m é igual à energia interna específica u e que o volume dividido pela massa é o volume específico v , achamos que:

h = u + P ⋅ v

Se a gente reorganizar essa fórmula, a gente consegue chegar na equação de u que queria:

u = h - P ⋅ v

Então qual seria a energia interna específica da água líquida comprimida a 5   M P a de pressão e com um volume específico de 0,0009995   m 3 / k g ? Vamos usar a tabela abaixo como ajuda!

Pela tabela, vemos que a entalpia específica h para a água é:

h = 88 64 0   J k g

Substituindo os valores que conhecemos na equação de u , encontramos:

u = 88 64 0 - 5000000 ⋅ 0,0009995 = 83642 , 5   J k g

Entalpia específica de uma mistura bifásica

Nós vimos que a unidade da entalpia específica J / k g é igual à unidade da energia interna específica J / k g . Também vimos que as duas são propriedades intensivas. Por último, descobrimos até que elas estão conectadas através de uma fórmula. Existe outra semelhança entre as duas que pode ajudar a gente a resolver um exercício? Sim!

A fórmula de entalpia específica para mistura de vapor saturado com líquido saturado é igualzinha à equação de energia interna específica para mistura bifásica!

u = u l ⋅ 1 - x + u v ⋅ x

Nessa fórmula de energia interna para mistura saturada, u l é a energia interna específica do líquido saturado, u v é a energia interna específica do vapor saturado e x é o título da mistura. Presta atenção na dica: para achar a equação da entalpia específica, é só substituir o u pelo h !

h = h l ⋅ 1 - x + h v ⋅ x

onde h é a entalpia específica da mistura, h l é a entalpia específica do líquido saturado e h v é a entalpia específica do vapor saturado.

Como descobrir os valores de h l e h v ?

Ainda precisamos saber os valores de h l e h v para usar a fórmula de mistura bifásica saturada. Onde podemos encontrar os dois? Assim como os valores de u l e u v estavam na tabela de propriedades, h l e h v também estão em tabelas de propriedades para substância saturada!

As tabelas acima mostram o valor de h l e h v da água. A de cima é usada, quando a gente sabe a temperatura da água saturada. A de baixo é usada, quando a gente conhece a pressão da água saturada. Ou seja, se a pressão da mistura saturada de água for igual a 75   k P a :

h l = 384,86   k J k g ;   h v = 2662,96   k J k g  

Se a temperatura da mistura saturada de água for igual a 170   ° C , h l e h v valem:

h l = 719,20   k J k g ;   h v = 2768,70   k J k g

Essas tabelas têm até um h l v no meio de h l e h v . O que é isso? Essa variável é só a diferença entre h v e h l .

h l v = h v - h l

Para mistura de saturada de água a 170   ° C , essa variável vale:

h l v = h v - h l = 2768,70 - 719,20 = 2049 , 5 0   k J k g

Note que esse valor de h l v é igual ao valor de h l v tabelado para água saturada a 170   ° C .

Como determinar outras propriedades, conhecendo a entalpia específica h ?

Como foi dito antes, se a gente souber os valores de duas propriedades intensivas independentes, a gente consegue determinar o valor de todas as outras propriedades intensivas do sistema. Então como a gente encontra os valores dessas propriedades restantes, conhecendo o valor da entalpia específica h do sistema? Usando as tabelas de propriedades!