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

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

2 Sólidos Moleculares Propriedades das Substâncias 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 Sólidos Moleculares Propriedades das Substâncias

4 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. Propriedades das Substâncias

5 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 (CCl 2 F 2 ) R-22 (CHClF 2 ) R-32 (CF 2 H 2 ) R-125 (CHF 2 CF 3 ) * R-134a (DF 3 CH 2 F) Propriedades das Substâncias

6 Sólidos Moleculares Propriedades das Substâncias 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 Sólidos Moleculares Propriedades das Substâncias 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 Sólidos Moleculares 1 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. Propriedades das Substâncias

9 Sólidos Moleculares 1 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. Propriedades das Substâncias

10 Sólidos Moleculares Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida 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 Sólidos Moleculares 1 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. Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida A figura ao lado mostra uma curva típica e que é chamada de curva de pressão do vapor.

12 Sólidos Moleculares 1 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. Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida

13 Sólidos Moleculares Diagramas de temperatura

14 Sólidos Moleculares Diagramas de temperatura Azeotropo

15 Sólidos Moleculares Diagramas de temperatura Azeotropo

16 Sólidos Moleculares Diagramas de temperatura

17 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. Diagramas de temperatura

18 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. Diagramas de temperatura

19 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. Diagramas de temperatura

20 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 = V liq + V vap = m liq.v l + m vap.v v O volume específico médio, ou o volume específico do sistema, é: v = V/m = (m liq.v l /m) + (m vap.v v /m) = (1-X)v l + Xv v Onde foi utilizada a definição de título, ou seja, X = m vap /m. Utilizando a definição v lv = v v + v l Reescrevemos a equação como: v = v l + Xv lv O título pode ser interpretado também como: (v – v l )/v lv Diagramas de temperatura

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

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

23 Sólidos Moleculares Interações 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 Sólidos Moleculares Interações 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 Sólidos Moleculares Fator de compressibilidade Se as medidas de pressão, volume molar e temperatura de um gás não confirmam a relação pV m = 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, V m = 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 Sólidos Moleculares Fator de compressibilidade 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 Sólidos Moleculares Coeficiente do Virial 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 Sólidos Moleculares Condensação 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 Sólidos Moleculares Condensação 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 Sólidos Moleculares Condensação

31 Sólidos Moleculares A equação de van der Waals 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 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 Sólidos Moleculares A equação de van der Waals 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 Sólidos Moleculares A equação de van der Waals 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 Sólidos Moleculares A equação de van der Waals 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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/CH3 CHF2/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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 Sólidos Moleculares Fluidos Refrigerantes – Aplicações 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 :

43 Sólidos Moleculares Tabelas importantes

44 Sólidos Moleculares Tabelas importantes

45 Sólidos Moleculares Tabelas importantes


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