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FACULDADES CAMPO REAL - Engenharia de Produção -

FACULDADES CAMPO REAL - Engenharia de Produção -. Termodinâmica. Professor Claudinei Cerconi. Propriedades das Substâncias. Sólidos Moleculares. As centrais de potência esquematizadas nas figuras seguintes tem a água como fluido de trabalho.

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Presentation Transcript


  1. FACULDADES CAMPO REAL - Engenharia de Produção - Termodinâmica Professor Claudinei Cerconi

  2. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares As centrais de potência esquematizadas nas figuras seguintes tem a água como fluido de trabalho. Vapor d`água a alta pressão é obtido a partir da ebulição da água líquida a alta pressão no gerado de vapor.

  3. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares

  4. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares O vapor é expandido na turbina até uma pressão próxima a do condensador. Neste equipamento ocorre transferência, de calor da água para o meio e obtém-se água líquida a baixa pressão na descarga do condensador. Precisamos conhecer as propriedades da água para projetar, ou selecionar, as turbinas, bombas, trocadores de calor, e outros vários equipamentos que compõem as instalações de uma central elétrica por vapor. Se a tubulação não for dimensionada de forma correta e a velocidade do escoamento for excessiva, a perda de pressão no escoamento de água líquida será significativa e ocorrerá um aumento da potência necessária para acionar a bomba. Provocando uma diminuição da potência líquida fornecida pelo ciclo de potência.

  5. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares Nos refrigeradores necessitamos de uma substância que evapore numa temperatura baixa (em torno de -20°C) e que condense numa temperatura superior a do ambiente. Como proceder para alcançar tal objetivo? Alguns refrigerantes empregados em sistemas de refrigeração: R-12 (CCl2F2) R-22 (CHClF2) R-32 (CF2H2) R-125 (CHF2CF3) * R-134a (DF3CH2F)

  6. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares Na turbina a gás devemos determinar os valores das propriedades dos fluidos que escoam no equipamento para que seja possível conhecer e modelar os fenômenos que ocorrem no equipamento.

  7. Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares O fluido de trabalho nessas turbinas é um gás (composição do gás varia ao longo do escoamento no equipamento mas é sempre próxima a do ar atmosférico) e não ocorre mudança de fase no ciclo. O processo de combustão ocorre na câmara de combustão da turbina e um aumento considerável da temperatura do fluido de trabalho é detectável, ocorrendo assim uma brusca expansão gasosa. Dessa forma surge um escoamento de grande velocidade. A velocidade do escoamento na região da turbina deve ser alta para que o fluido de trabalho possa empurrar as palhetas da turbina, realizando o trabalho necessário para acionar o compressão de ar, e a velocidade de escoamento deve ser alta na seção de descarga do bocal para que o empuxo gerado na turbina a gás seja alto.

  8. 1 Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares Seria possível gerar energia elétrica a partir de um combustível, de forma mais direta, sem uso de gerador de vapor, turbina, condensador e turbina? A resposta é afirmativa, quando utilizamos uma Célula Combustível.

  9. 1 Propriedades das Substâncias Sólidos Moleculares A figura anterior mostra uma célula combustível do tipo membrana de troca de íons. Nessa célula, o hidrogênio e o oxigênio reagem para formar água. O fluxo de elétrons no circuito externo é do anodo para o catodo. O hidrogênio entra pelo lado do anodo e o oxigênio entra pelo lado do catodo. O hidrogênio é ionizado na superfície da membrana de troca de íons do modo indicado na figura. Os elétrons fluem através do circuito externo e os íons de hidrogênio fluem através da membrana para o catodo, onde ocorre a formação de água. Há uma diferença de potencial entre o anodo e o catodo, resultando daí num fluxo elétrico, que em termos termodinâmicos, é considerado como trabalho.

  10. Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida Sólidos Moleculares O sistema abaixo contém água (1kg), e o êmbolo imponha pressão de 0,1 MPa no sistema com temperatura inicial de 20°C. A medida que calor é transferido para a massa de água , a temperatura aumenta consideravelmente. Quando a temperatura é de 99,6°C, uma transferência adicional de calor implica numa mudança de fase, mantendo a temperatura constante, até que a última gota seja vaporizada.

  11. 1 Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida Sólidos Moleculares Temperatura de saturação designa a temperatura na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão, e está pressão é chamada de pressão de saturação para a dada temperatura. Assim, a pressão de saturação da água é 99,6°C é 0,1MPa e a temperatura de saturação da água a 0,1MPa é 99,6/C. A figura ao lado mostra uma curva típica e que é chamada de curva de pressão do vapor.

  12. 1 Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida Sólidos Moleculares Se uma substância existe como líquido a temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de líquido saturado. Se a temperatura do líquido é mais baixa do que a temperatura de saturação para a pressão existente, a substância é chamada de líquido sub-resfriado, ou líquido comprimido. Quando uma substância é composta por uma parcela na fase líquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturação, seu título é definido como a razão entre a massa de vapor e a massa total. Assim se a massa do vapor for de 0,2kg, a massa do líquido será igual a 0,8 kg e o seu título será de 0,2 ou 20%.O título é uma propriedade intensiva e seu símbolo é X. Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, ela é chamada de vapor saturado. Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação, é chamado de vapor superaquecido.

  13. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares

  14. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Azeotropo

  15. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Azeotropo

  16. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares

  17. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares A tabela abaixo indica as propriedades no ponto crítico de algumas substâncias. Para um conjunto mais extenso de propriedades críticas consultar o livro de referência.

  18. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Num processo a pressão constante, nunca haverá duas fases presentes. Haverá uma variação contínua da massa específica e haverá sempre uma só fase presente. A questão que surge é: quando teremos líquido e quando teremos vapor? A resposta é que essa não é uma questão válida para pressões super-críticas. Usaremos nesse caso, simplesmente a designação de fluido. Para temperaturas inferiores a crítica referimo-nos como líquido comprimido e para temperaturas acima da crítica como vapor superaquecido. A linha NJFB do diagrama anteriormente apresentado, representa a linha do líquido saturado e a NKGC a linha do vapor saturado.

  19. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Os índices l e v são utilizados para designar os estados de líquido saturado e de vapor saturado. Um estado saturado é caracterizado por uma mistura de líquido saturado e vapor saturado em equilíbrio. O diagrama abaixo mostra um volume de líquido saturado e vapor saturado encerrado num cilindro.

  20. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Considerando a água como sistema, o volume total é igual a soma do volume de líquido saturado como volume de vapor saturado, ou seja: V = Vliq + Vvap = mliq.vl + mvap.vv O volume específico médio, ou o volume específico do sistema, é: v = V/m = (mliq.vl /m) + (mvap.vv /m) = (1-X)vl + Xvv Onde foi utilizada a definição de título, ou seja, X = mvap /m. Utilizando a definição vlv = vv + vl Reescrevemos a equação como: v = vl + Xvlv O título pode ser interpretado também como: (v – vl)/vlv

  21. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares A tabela abaixo apresenta a pressão e a temperatura do ponto triplo de algumas substâncias:

  22. Diagramas de temperatura Sólidos Moleculares Essa matéria é melhor resumida pelo diagrama abaixo, que mostra como as fases sólida, líquida e vapor podem coexistir em equilíbrio..

  23. Interações Moleculares Sólidos Moleculares Uma vez que a lei dos gases ideais não representa precisamente o comportamento dos gases reais, formularemos equações mais realistas para o estado dos gases e iremos explorar as implicações dessas equações. Os gases reais exibem desvios em relação à lei dos gases perfeitos em virtude das interações moleculares. As forças repulsivas entre as moléculas contribuem para a expansão, e as forças atrativas para a compressão.

  24. Interações Moleculares Sólidos Moleculares Em pressões baixas, quando a amostra do gás ocupa um volume grande, as moléculas estão, na maior parte do tempo, tão afastadas umas das outras, que as forças intermoleculares não exercem nenhum papel significativo, e o gás comporta-se como perfeito. Em pressões moderadas, quando a distância média de separação entre as moléculas é de somente alguns poucos diâmetros moleculares, as forças atrativas dominam as forças repulsivas. Neste caso, espera-se que o gás seja mais compressível que um gás perfeito, pois as forças contribuem para a aproximação das moléculas. Em pressões elevadas, quando as moléculas estão, em média, muito próximas umas das outras, as forças repulsivas dominam, e espera-se que o gás seja menos compressível que um gás perfeito, pois, agora, as forças ajudam as moléculas a se separarem.

  25. Fator de compressibilidade Sólidos Moleculares Se as medidas de pressão, volume molar e temperatura de um gás não confirmam a relação pVm = RT, dentro da precisão das medidas, dizemos que o gás desvia-se da idealidade ou que exibe um comportamento não-ideal. Faz-se necessária a correção através do fator de compressibilidade. O fator de compressibilidade, Z, de um gás, é a razão entre o volume molar do gás, Vm = V/n, e o volume molar de um gás perfeito na mesma pressão e mesma temperatura: Como o volume molar de um gás perfeito é igual a RT/p, uma expressão equivalente é:

  26. Fator de compressibilidade Sólidos Moleculares Como, para um gás perfeito, Z = 1 em quaisquer condições, o desvio de Z em relação a 1 é uma medida do afastamento do gás em relação ao comportamento ideal. Em pressões: muito baixas  Z ≈ 1 (todos os gases) elevadas  Z > 1 (todos os gases) intermediarias  Z < 1 (maioria dos gases).

  27. Coeficiente do Virial Sólidos Moleculares A figura abaixo mostra algumas isotermas experimentais do dióxido de carbono. Em volumes molares grandes e temperaturas elevadas, as isotermas dos gases reais pouco diferem das isotermas dos gases perfeitos. Os ajustes físico-químicos necessários para validar a equação de um gás perfeito, são feitos utilizando-se da expansão em série da expressão abaixo apresentada: Após a expansão, temos:

  28. Condensação Sólidos Moleculares Vejamos novamente a figura ao lado: Nas vizinhanças de A, a pressão do gás se eleva seguindo aproximada-mente a lei de Boyle. Desvios grandes em relação a essa lei aparecem quando o volume atinge o ponto B. Em C (que corresponde a cerca de 60 atm para o dióxido de carbono), desaparece qualquer semelhança com o comportamento do gás perfeito, pois abruptamente o pistão se desloca sem provocar qualquer aumento de pressão: esse comportamento está representado pelo segmento de reta horizontal CDE.

  29. Condensação Sólidos Moleculares O exame do conteúdo do vaso em que se faz a compressão mostra que pouco à esquerda de C aparece uma gota de líquido e há duas fases separadas por uma fronteira nítida. Quando o volume diminui de C passando por D até E, a quantidade de líquido aumenta. Não há resistência adicional ao deslocamento do pistão, pois o gás se condensa e o volume diminui nessa condensação. A pressão correspondente ao segmento de reta CDE, quando o líquido e o vapor estão presentes em equilíbrio, é chamada de pressão de vapor do líquido na temperatura da experiência. Em E, a amostra está inteiramente liquefeita e o pistão está encostado na superfície do líquido. Para que haja redução do volume do líquido, é necessário exercer pressão muito grande, como é indicado pela reta fortemente ascendente à esquerda de E. Mesmo uma pequeníssima diminuição de volume de E para F necessita de um grande aumento de pressão.

  30. Condensação Sólidos Moleculares

  31. A equação de van der Waals Sólidos Moleculares As equações de estado só proporcionam informações objetivas sobre o gás quando se inserem os valores particulares dos coeficientes. É interessante ter uma equação mais geral, embora menos precisa, válida para todos os gases. Nesse sentido, vamos considerar a equação de estado aproximada que foi proposta por J.D. van der Waals em 1873. Essa equação é um excelente exemplo de uma expressão que pode ser obtida pela análise científica de um problema matemático complicado, mas fisicamente simples, ou seja, é um bom exemplo da 'construção de um modelo'. A equação de van der Waals é: ou

  32. A equação de van der Waals Sólidos Moleculares As constantes a e b são chamadas de constantes de van der Waals. Elas são características de cada gás e independentes da temperatura. As interações repulsivas entre as moléculas do gás são levadas em conta admitindo-se que cada molécula se comporta como uma esfera pequena, rígida e impenetrável. O fato de o volume das moléculas não ser nulo, implica que, em vez de se moverem em um volume V, elas estão restritas a um volume menor V-nb, onde nb é, aproximadamente, o volume total ocupado pelas próprias moléculas. Essa discussão sugere que a lei dos gases perfeitos, p = nRT/V, deve ser substituída por:

  33. A equação de van der Waals Sólidos Moleculares A pressão do gás depende da freqüência das colisões com as paredes e da força de cada colisão. A freqüência das colisões e a respectiva força são reduzidas pelas força; atrativas, que atuam com uma intensidade proporcional à concentração molar, n/V. das moléculas na amostra do gás. Portanto, como a freqüência e a força das colisões são reduzidas pelas forças atrativas, a pressão é reduzida proporcionalmente ao quadrado da concentração molar. Se a redução da pressão for escrita como - a(nlV)2, onde a é uma constante positiva característica de cada gás, os efeitos combinados das forças repulsivas e atrativas se exprimem pela equação de estado de van der Waals. Nesta Justificativa, a equação de van der Waals foi deduzida com argumentos bastante vagos sobre volumes das moléculas e efeitos de forças intermoleculares.

  34. A equação de van der Waals Sólidos Moleculares É possível deduzi-la de outras maneiras, mas o método adotado tem a vantagem de mostrar como deduzir a forma de uma equação a partir de idéias gerais. A dedução também tem a vantagem de manter um significado impreciso para as constantes a e b: é muito melhor considerá-las como parâmetros empíricos do que como propriedades moleculares precisamente definidas. ----------------------------------------------- Exemplo 1: Alguns investigadores estão estudando as propriedades físicas de um gás a ser usado como refrigerante em um sistema de resfriamento. Uma tabela de parâmetros de van der Waals mostra os valores: a = 16,2 L².mol/atm e b = 8,4x10-2 L/mol. Estime a pressão no sistema de refrigeração quando 1,5 mols foram confinados em 5,0 L a temperatura de 0°C.

  35. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares HCFC 142b (R-142b) Difluorocloroetano (CH3CClF2). Um substituto eficaz para o CFC-12 em aplicações de isolamento com espuma rígida de poliuretano, poliestireno e polietileno. As utilizações incluem tanto a construção residencial como a comercial, e a tubagem de processo. HCFC 141b (R-141b) Diclorofluoroetano (CCl2FCH3). O principal agente expansor substituto do CFC-11 em aplicações de isolamento com espuma rígida, tais como: construção (comercial, residencial e pública), eletrodomésticos e veículos de transporte. HFC 125 (R-125) Pentafluoroetano (CHF2CF3). Um candidato a substituto para utilização em aplicações de refrigerantes de baixa temperatura. A baixa temperatura crítica poderá limitar a sua utilização como fluído único.

  36. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares HCFC 124 (R-124) Clorotetrafluoroetano (CHClFCF3). Um refrigerante potencial de pressão média para aplicações de refrigerantes. Está concebido para substituir o CFC-12 como um diluente em gases de esterilização. Uma substituição potencial para o CFC-11 e - 12 em aplicações de isolamento com espuma rígida. HCFC 123 (R-123) Diclorotrifluoroetano (CHCl2CF3). Um composto que deteriora muito pouco a camada de ozônio, e que serve como substituto para CFC-11 em refrigeradores centrífugos.  Mistura MP66 (R-401B) Clorodifluorometano. Difluoroetano. Clorotetrafluoroetano (CHClF2/CH3CHF2/CHClFCF3). Um substituto temporário do CFC-12 em sistemas refrigeradores comerciais de temperatura baixa. Contém HCFC-22/HFC- 152a/HCFC-124.

  37. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares HCFC 22 (R-22) Clorodifluorometano (CHClF2). Como refrigerante, funciona com pressões de sistema mais elevadas mas baixo deslocamento do compressor. É comum em aplicações residenciais, comerciais e industriais. Também é utilizado como intermediário e como agente expansor em aplicações de espuma rígida. Mistura MP39 (R-401A) Clorodifluorometano/Difluoroetano/Clorotetrafluoroetano (CHClF2/CH3CHF2/CHClFCF3). Um substituto temporário do CFC-12 em sistemas refrigeradores comerciais de temperatura média. Contém HCFC-22/HFC- 152 a/HCFC-124. CFC 114 (R-114) Diclorotetrafluoroetano (C2Cl2F4). Intermediário em pressão. Utilizado principalmente com refrigeradores para capacidades mais elevadas ou para temperaturas mais baixas no evaporador.

  38. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares Mistura HP81 (R-402B) CFC 113 (R-113) Triclorotrifluoroetano (C2Cl3F3). Utilizado em unidades integradas de refrigeradores centrífugos de baixa capacidade. Funciona com pressões de sistema muito baixas, e volumes elevados de gás. Também é utilizado como um intermediário na fabricação de lubrificantes especializados. Mistura HP80 (R-402A) Clorodifluorometano. Pentafluoroetano. Propano  (CHClF2/CHF2CF3/C3H8). Um substituto provisório para retroadaptar sistemas de refrigeração comercial de temperaturas baixas e médias. CFC 13 (R-13) Clorotrifluorometano (CClF3). Um refrigerante especial para baixa temperatura utilizado no estágio baixo de sistemas em cascata, para proporcionar temperaturas do evaporador na ordem de -75ºC.  

  39. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares Mistura 404A (R-404A)  Pentafluoroetano. Trifluoroetano. Tetrafluoroetano  (CHF2CF3/CH3CF3/CH2FCF3). Um substituto a longo prazo do R-502, que não prejudica o ozônio, nos sistemas de refrigeração comerciais de temperaturas baixas e médias. CFC 12 (R-12) Diclorodifluorometano (CCl2F2). Um refrigerante muito usado em equipamentos de tipo alternativo e rotativo e em alguns de tipo centrífugo. Também é utilizado como diluente em um gás esterilizador, e como agente expansor em aplicações de espuma rígida. Mistura 407C (R-407C) Difluorometano. Pentafluoroetano. Tetrafluoroetano  (CH2F2/CHF2CF3/CH2FCF3). Um substituto a longo prazo do HCFC-22, que não é prejudicial para o ozônio, para várias aplicações de ar condicionado, bem como para sistema de refrigeração de deslocamento positivo.

  40. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares Mistura 409A (R-409A) Clorodifluorometano. Clorotetrafluoroetano. Clorodifluoroetano (CHClF2/CHClFCF3/CH3CClF2). Um substituto provisório para o CFC-12 em sistemas de refrigeração. Contém HCFC-22/HCFC-124/HCFC142b. Azeotropo 503 (R-503) Azeotrpo (CHF3/CClF3). Um azeotropo que é utilizado no estágio baixo dos sistemas tipo cascata, onde proporciona ganhos na capacidade do compressor e na baixa temperatura alcançada. Mistura Azeotrópica (AZ-20) - R410A Mistura Azeotrópica (CH2F2/CHF2CF3). AZ-20 é uma mistura azeotrópica de HFC-32 e HFC-125. Foi concebida para substituir o HCFC-22 em aplicações de ar condicionado e refrigeração.

  41. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares Azeotropo 502 (R-502) Azeotropo (CHClF2/CClF2CF3). Um azeotropo utilizado em aplicações de refrigeração de temperatura baixa e média. HFC 152a (R152a) Difluoroetano (CHF2CH3). Usado como um propulsor de aerosóis e um agente expansor para espumas termo-plásticas. Também é utilizado como um componente em misturas refrigerantes. Azeotropo 500 (R-500) Azeotropo (CCl2F2/CH3CHF2). Um azeotropo que tem pressões de vapor ligeiramente mais elevadas, e proporciona capacidades mais elevadas a partir do mesmo deslocamento do compressor. HFC 134a (R-134a) Tetrafluoroetano (CH2FCF3). Um refrigerante para substituir o CFC-12 no ar condicionado para automóveis, e em sistemas de refrigeração residenciais, comerciais e industriais. Também é utilizado como um agente expansor em isolamentos de espuma rígida.

  42. Fluidos Refrigerantes – Aplicações Sólidos Moleculares HFC 23 (R-23) Trifluorometano (CHF3). Um refrigerante especial para baixa temperatura que pode ser utilizado em substituição do CFC-13 e do R-503 no estágio baixo dos sistemas em cascata. Fonte Site : www.frigelar.com.br

  43. Tabelas importantes Sólidos Moleculares

  44. Tabelas importantes Sólidos Moleculares

  45. Tabelas importantes Sólidos Moleculares

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