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Termodinâmica Aplicada
TERMODINÂMICA
Disciplina:Termodinâmica
Professor: Caruso
Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES I
Motores de automóveis
Turbinas
Bombas e Compressores
Usinas Térmicas (nucleares,combustíveis fósseis, biomassa ouqualquer outra fonte térmica)
Sistemas de propulsão para aviões efoguetes
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Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES II
Sistemas de combustão
Sistemas criogênicos, separação degases e liquefação
Aquecimento, ventilação e arcondicionado
Refrigeração (por compressão devapor, absorção ou adsorção)
Bombas de calor
Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES III
Sistemas de aproveitamento daenergia Solar para aquecimento,refrigeração e produção de energiaelétrica
Sistemas energéticos alternativos– Células de combustível
– Dispositivos termoelétricos e termo iônicos
– Conversores magneto hidrodinâmicos(MHD)
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Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES IV
Sistemas Geotérmicos– Aproveitamento da energia dos oceanos
(térmica, das ondas, e das marés)
– Aproveitamento da energia dos ventos(energia eólica)
Aplicações biomédicas– Sistemas de suporte à vida
– Órgãos artificiais
Termodinâmica Aplicada
CALOR E TEMPERATURA Calor é energia em trânsito devido a uma
diferença de temperatura.
Sempre que existir uma diferença detemperatura em um meio ou entre meiosocorrerá transferência de calor.
– Está implícito na definição que um corpo nunca contém calor,mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira deum sistema.
– O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quandonão existe mais uma diferença de temperatura.
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Termodinâmica Aplicada
TRANSFERÊNCIA DE CALOR I
Condução– Quando a transferência
de energia ocorrer emum meio estacionário,que pode ser um sólidoou um fluido, em virtudede um gradiente detemperatura
Termodinâmica Aplicada
TRANSFERÊNCIA DE CALOR II
Convecção– Quando a transferência
de energia ocorrerentre uma superfície eum fluido emmovimento em virtudeda diferença detemperatura entre eles,usamos o termotransferência de calorpor convecção.
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Termodinâmica Aplicada
TRANSFERÊNCIA DE CALOR III
Radiação– Quando, na ausência de
um meio interveniente,existe uma troca líquidade energia (emitida naforma de ondaseletromagnéticas) entreduas superfícies adiferentes temperaturas
Termodinâmica Aplicada
TERMODINÂMICA - OBJETIVO
A Termodinâmica trata da relaçãoentre o calor e as outras formas deenergia
A energia pode ser transferidaatravés de interações entre osistema e suas vizinhanças. Estasinterações são denominadas calor etrabalho
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Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA I
Propriedade difícil de se definir– Inicialmente foi definida a partir da
sensibilidade do Homem
– Pode-se distinguir que o corpo 1 está maisquente (ou frio) que o corpo 2 e este maisquente que o corpo 3, etc.
– A quantificação da diferença somente épossível através de instrumentos(termômetros)
Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA II
Assim como Massa, Comprimento eTempo, é difícil dar uma definição deTemperatura em termos de conceitosindependentes ou aceitos comoprimários.
No entanto é possível se chegar a umentendimento objetivo da IGUALDADE detemperaturas usando o fato de quequando a temperatura de um corpomuda, outras propriedades tambémmudam.
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Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA III A medida de uma dessas propriedades, como
volume, resistência elétrica, pode ser associadaa uma dada temperatura. O dispositivo queefetua essa medida é o termômetro.
Se tomarmos dois blocos de cobre, um maisquente que o outro e colocarmos os dois emcontato, haverá interação entre eles e o blocomais quente irá esfriar e o mais frio irá seaquecer. Quando as interações cessarem asquantidades mensuráveis pararão de variar e osblocos estarão em equilíbrio térmico e portantoà mesma temperatura.
Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA IV
Lei Zero da Termodinâmica– Quando dois corpos estão em equilíbrio com
um terceiro corpo eles estarão também emequilíbrio entre si.
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Termodinâmica Aplicada
TERMÔMETROS
São dispositivos que empregam umasubstância ("termométrica") que possuipelo menos uma propriedade variávelcom a temperatura.– de líquido em bulbo (volume): muito preciso;
– de gás a volume constante (hidrogênio ou hélio)(pressão): padrão internacional para determinadasfaixas de temperatura;
– termopares (fem - força eletromotriz);
– termistores (resistência elétrica);
– pirômetros (radiação térmica).
Termodinâmica Aplicada
ESCALA DE TEMPERATURA Escala Kelvin (SI) Ponto fixo padrão: ponto triplo da água
(equilíbrio entre gelo, água e vapord'água) = 273,16 K (pressão = 0,6113 Pa= 0,006 atm).– Estabelecido por acordo internacional - facilmente
reprodutível.– Ponto de gelo (equilíbrio entre gelo, água e ar a 1
atmosfera): 273,15 K.– Ponto de vapor (equilíbrio entre a água líquida e
seu vapor a 1 atm): 373,15K.– Intervalo entre ponto de gelo e ponto de vapor =
100 K.
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Termodinâmica Aplicada
OUTRAS ESCALAS
CELSIUS: T(oC) = T(K) - 273,15
RANKINE: T(oR) = 9/5 T (K)
FAHRENHEIT: T(oF) = T(oR) - 459,67
T (°F) = 9/5 T(°C) + 32
Termodinâmica Aplicada
Exercício 1
– Embora pareça impossível atingir-se o zeroabsoluto, temperaturas tão baixas quanto0,000000002 K foram alcançadas emlaboratórios.
– Isso seria suficiente para todos os finspráticos?
– Por quê os físicos deveriam (como o fazem)tentar obter temperaturas ainda mais baixas?
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Termodinâmica Aplicada
Exercício 1 – Solução
Porque a temperaturas muito baixas osmateriais exibem propriedades nãoobservadas a temperaturas usuais. Asupercondutividade é um exemplo dessaspropriedades
A motivação desse tipo de pesquisa estáno fato de se poder encontrar novosfenômenos nas propriedades físicas dosmateriais– A tentativa de se reduzir os limites físicos conduz
ao desenvolvimento de instrumentos maissofisticados
Termodinâmica Aplicada
– Um termopar é formado por dois metaisdiferentes, conectados em dois pontos, demodo que uma pequena tensão é produzidaquando as duas juntas estão emtemperaturas diferentes.
– Num termopar de ferro-constantan, comuma junção mantida a 0 oC, a tensão varialinearmente de 0 a 28 mV à medida que aoutra temperatura varia entre 0 e 510 OC.Determinar a temperatura da junta variávelquando a tensão medida for 10,2mV
Exercício 2
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Termodinâmica Aplicada
Exercício 2 – Solução– Como a tensão “V” de saída varia linearmente com
a temperatura “T”, podemos escrever:
– V = a + b T (1)
• (“a” e “b” são constantes)
– Os pontos fornecidos permitem determinar asconstantes:
V = 0 quando T = 0o C; substituindo na (1), vem que a = 0
V = 28 mV quando T = 510 oC
portanto b = 0,0549 mV/oC
– Para V = 10,2 mV, T = 185,8 oC
Termodinâmica Aplicada
Exercício 3
A que temperatura os seguintespares de escalas serãonumericamente iguais:– Fahrenheit e Celsius
– Fahrenheit e Kelvin
– Celsius e Kelvin
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Termodinâmica Aplicada
Exercício 3 – Solução
– Fahrenheit e Celsius• TF = 9/5 TC + 32
Como TF = TC TF = 9/5 TF + 32 ou
TF = - 40
– Fahrenheit e Kelvin
T = 9/5 (T – 273,15) + 32
T = 574,5875
– Celsius e Kelvin• Como as duas escalas se relacionam linearmente
conforme a lei TC = T – 273,15, não hátemperatura em que as leituras sejamnumericamente iguais
Termodinâmica Aplicada
****
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Termodinâmica Aplicada
Definições
Sistema– Identifica o objeto da análise
• Corpo livre
• Tanque de paredes rígidas
• Tubulação onde um fluido escoa
• Refinaria inteira
Vizinhança– Tudo o que é externo ao sistema
Fronteira– Lugar real ou imaginário que separa o Sistema de
sua Vizinhança
Termodinâmica Aplicada
Definições
Sistema fechado– Há uma quantidade
fixa de matéria
– A massa sob análisenão entra, nem sai
Volume decontrole– Região do espaço
através da qual ocorrefluxo de massa
GÁS
Fronteira
W
Q
Vizinhança
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Termodinâmica Aplicada
Definições Propriedade
– É qualquer característica mensurável da substânciaestudada
Propriedade intensiva– É a que independe da quantidade de massa em
estudo• Ex.: temperatura, pressão, densidade
Propriedade extensiva– É a que depende da quantidade de massa em estudo
• Ex.: Entalpia, energia interna, volume, entropia
– Obs: Uma propriedade extensiva vira intensiva,quando expressa por unidade de massa
Termodinâmica Aplicada
Fase– Uma fase é definida como uma quantidade de
matéria totalmente homogênea• A água está na fase líquida tal como ela sai de uma
torneira. Ela está na fase sólida tal como se apresenta emcubos de gelo e na fase vapor (gasosa), tal como sai daválvula de uma panela de pressão
Estado– É a condição termodinâmica de um sistema. Em
cada fase podemos ter uma infinidade de estados• Em cada fase a substância pode existir submetida a
diversos valores de pressão, temperatura, volume, energiainterna, entalpia e etc.
• O conjunto de duas ou três dessas propriedades define oestado
Definições
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Termodinâmica Aplicada
Definições Processo
– é o caminho definido pelasucessão de estados através doquais a substância passa ao sairde um estado inicial e chegar aum estado final.
– Quando muda uma ou maispropriedade de uma substância,dizemos que ocorreu umamudança de estado.
CICLO– Um sistema executa um ciclo
quando sai de um determinadoestado inicial, passa por diversosoutros estados ou processos efinalmente retorna ao estadoinicial.
– OBS: Uma propriedade de umasubstância tem valor único emcada estado que se encontra eindepende do caminho quepercorreu até se encontrarnaquele estado
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2
1
VVdV
12
2
1HHdH
12
2
1
VVdV
12
2
1
SSdS
Termodinâmica Aplicada
Definições
Trabalho– Força produzindo o
deslocamento de umcorpo, sendo que odeslocamentoacontece da direçãoda força
2
1
21
2
1
21
2
1
21
dVpWAdXdV
AdXpWApF
FdXW
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Termodinâmica Aplicada
Definições
Energia interna (U)– É a soma de todas as formas de energia
microscópicas tais como energia cinética epotencial das moléculas que compõe umsistema
– U = m u
– Onde: m massa
u energia interna por unidade demassa
Termodinâmica Aplicada
Definições
Entalpia (H)– Ao analisar certos processos termodinâmicos,
freqüentemente encontramos a combinação dapropriedade Energia Interna (U) com o produto(PV) que também é uma propriedade energética dasubstância
– Esta combinação de propriedades foi denominadade Entalpia
• H ≅ U + PV
• h ≅ u + Pv
• H = m h
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Termodinâmica Aplicada
ENTROPIA (S)– É a medida do grau de desordem das
moléculas de uma substância
– O grau de desordem está relacionado com osmovimentos de translação, rotação evibração dos átomos e moléculas dassubstâncias
Conseqüência– Sgás > Slíquido > Ssólido
Definições
Termodinâmica Aplicada
Definições
Título (x)– Propriedade
termodinâmica intensivadefinida pela razão entrea massa de vapor pelamassa de mistura vapor-líquido quando umasubstância está em estadode saturação
– Líquido saturado: x = 0
– Vapor saturado: x = 1
vT
vL
vv
LV
V
T
V
mm
m
m
mx
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Termodinâmica Aplicada
Exercício 4
Dado que
Mostrar que
VLt vxvx1v
LV
V
T
V
mm
m
m
mx
Termodinâmica Aplicada
Exercício 4 – Solução
VL
T
VV
T
LLT
T
VVLLT
VVLLTT
LVT
LV
V
T
V
vxvx1m
vm
m
vmv
m
vmvmv
vmvmvm
VVV
mm
m
m
mx
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Termodinâmica Aplicada
Propriedades específicas– u, h, s, uV, uL, hV, hL, sV e sL são obtidas das
tabelas de propriedades termodinâmicas dassubstâncias que constituem o fluidooperante do sistema térmico em estudo.
Definições
Tabelas
Termodinâmica Aplicada
Exercício 5
Determinar o volume específico dovapor saturado a 100 oF, tendo-seum título de 70%, no SI
– vT = vL + x vLV
– vT = 16,130 10-3 + 0,7 349,984
– vT = 245,005 ft3/lbm
– vT = 15,295 m3/kgTabelas
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Termodinâmica Aplicada
Exercício 6
Determinar: temperatura desaturação, volume específico,entalpia, energia interna e aentropia do vapor saturado a 3,75bar, tendo-se um título de 100%
Termodinâmica Aplicada
– Note-se que a tabela não traz os valoresprocurados (3,75 bar), daí a necessidade dese interpolar os valores:
3,5 138,9 0,5243 2732,4 2546,9 6,9405
4 143,6 0,4625 2738,6 2553,6 6,8959
A interpolação é conseguida considerando-se (f0 ef1 são os valores tabulados consecutivos):
x0 f0
x fp
x1 f1
Exercício 6 – Solução I
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01
0
1 fppff
xx
xxp
p
:setem
:fazendo
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Termodinâmica Aplicada
Determinação da temperatura de saturação:
x0 = 3,5 f0 = 138,9x = 3,75 fp = ?
x1 = 4 f1 = 143,6
p = 0,5
fp = 141,7 oC
Determinação do valores restantes:
vv = 0,4754 m3/kg hv = 2735,5 kJ/kg
uv = 2550,25 kJ/kg sv = 6,9182 kJ/(kg K)
Exercício 6 – Solução II
Termodinâmica Aplicada
1o Princípio
Princípio daconservação da energia
“A variação da energiainterna de um sistema édada pela diferençaentre o calor trocado(Q) com o meio externoe o trabalho ()realizado.”
U = Q -
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Termodinâmica Aplicada
Transformação isobárica Nas expansões
gasosas o volume dogás aumenta, elepróprio empurra oêmbolo ou pistão,realizando trabalhopositivo.
Nas compressõesgasosas o volume dogás diminui, o meioexterno empurra oêmbolo ou pistãocontra o gás,realizando trabalhonegativo.
Termodinâmica Aplicada
OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
Isométrica, isocórica,isovolumétrica– = p . V = 0 J , pois o volume é constante
– Q = U
Isotérmica– Lembrando que: U = 3/2 . n . R . T
– U = 0 joules , pois a temperatura éconstante
– Q =
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Termodinâmica Aplicada
Cíclica– A pressão varia, então só é possível calcular o trabalho através
da área do gráfico (pressão x volume).
– Se o ciclo for horário: trabalho positivo; trabalho realizado pelogás (o volume aumenta).
– Se o ciclo for anti-horário: trabalho negativo; trabalhorealizado sobre o gás (o volume diminui).
– U = 0 J: pois o ciclo retorna para o mesmo ponto de partida,ou seja, para a mesma temperatura.
OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
Termodinâmica Aplicada
•
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Termodinâmica Aplicada
2° Princípio da Termodinâmica Lord Kelvin enunciou o 2°
Princípio daTermodinâmica, tambémconhecido como Princípioda Degradação da Energia
“É impossível construiruma máquina que,operando em ciclos, retirecalor de uma fonte quentee o transformeintegralmente emtrabalho”.
Máquina 100%
Termodinâmica Aplicada
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Termodinâmica Aplicada
Termodinâmica Aplicada
Primeiro automóvel
Locomobile 1900 motor a vapor de dois cilindros
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Termodinâmica Aplicada
Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.
Termodinâmica Aplicada
Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.
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Termodinâmica Aplicada
Motor de dois tempos
Termodinâmica Aplicada
No início do século XlX , Sandi Carnot
preocupava-se com o rendimento dasmáquinas térmicas, em sua obra “Reflexõessobre a força motriz do fogo” afirmava queo rendimento de uma máquina térmica erafunção única das temperaturas das fontesfrias e quente.
O ciclo para a obtenção do máximorendimento de uma máquina térmicaproposto por Carnot, é constituído de duastransformações isotérmicas, intercaladascom duas transformações adiabáticas.
Ciclo de Carnot
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Termodinâmica Aplicada
Em seus estudos, Carnot demonstrou que
as quantidades de calor trocadas pelas fontes eo meio externo são proporcionais àsrespectivas temperaturas absolutas ( emKelvin ) das fontes. Toda máquina que puderoperar obedecendo o ciclo de Carnot terárendimento maior que qualquer outra queesteja operando entre as mesmas fontes,porém nunca igual a 100 %.
Ciclo de Carnot
Termodinâmica Aplicada
• São máquinas térmicas cujo funcionamento consiste em retirar calor da fonte fria(congelador) e rejeitá-lo à fonte quente ( meio ambiente ).
Tal dispositivo nãocontraria o enunciado daespontaneidade do fluxode calor enunciado porClausius, pois a passagemnão é espontânea,ocorrendo à custa de umtrabalho realizador porum compressor elétrico.
Geladeira
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Termodinâmica Aplicada
É um fato observado que, através doUniverso, que a energia tende a serdissipada de tal modo que a energia totalutilizável se torna cada vez maisdesordenada e mais difícil de captar eutilizar.
À medida que ocorrem os processosnaturais, apesar da a energia total seconservar, ocorre uma diminuição napossibilidade de se obter energia útil. Ouseja, a energia utilizável degrada-se parauma forma menos nobre de energia, aenergia de agitação molecular (energiatérmica).
Degradação da energia - entropia
Termodinâmica Aplicada
A energia de agitação molecular éconsiderada uma energia pouconobre, pois é desordenada oudesorganizada.
Sendo assim, a evolução doUniverso leva a um aumento nadesordem, ou seja, os processosnaturais tendem a aumentar adesordem no Universo.
Degradação da energia - entropia
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Termodinâmica Aplicada
Em 1860, Clausius criou o conceito deentropia ( palavra de origem grega quesignifica “mudança de forma” ) visandocaracterizar essa tendência natural deevolução do Universo.
O fato de a entropia do Universoaumentar continuamente, leva algunsautores a sugerir que o Universo caminhapara uma espécie de morte pelo calor,um estado de entropia máxima quandotoda energia existente não seriautilizável, pois estaria sob a forma deenergia de agitação molecular (energiatérmica).
Degradação da energia - entropia
Termodinâmica Aplicada
Exemplo de Entropia:– Quando conduzimos um automóvel a energia
armazenada na gasolina é convertida em calor porcombustão e, depois, em energia mecânica, nomotor. A energia mecânica, ordenada, assimproduzida, dá origem ao movimento controlado eordenado do carro.
– Parte dessa energia foi irrevogavelmente dissipadasob a forma de calor, na estrada, como resultado doatrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio daexaustão de gases e para vencer a resistência dovento, e jamais será aproveitada.
Degradação da energia - entropia
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Termodinâmica Aplicada
Tabelas: vapor d’água (sist. Inglês)
Temperatura Pressão
t pa vL x103 vLV νV hL hLV hV uL uV sL sV
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
32,018 0,08866 16,022 3301,984 3302 0,01 1075,4 1075,4 0,00 1021,2 0,00000 2,1869
40 0,12166 16,020 2444,984 2445 8,02 1070,9 1078,9 8,02 1023,9 0,01617 2,1592
60 0,2563 16,035 1206,884 1206,9 28,08 1059,6 1087,7 28,08 1030,4 0,05555 2,0943
80 0,5073 16,073 632,784 632,8 48,09 1048,3 1096,4 48,08 1037,0 0,09332 2,0356
100 0,9503 16,130 349,984 350 68,05 1037,0 1105,0 68,04 1043,5 0,12963 1,9822
psia°F
ft3/lbm BTU/lbm BTU/lbm BTU/(lb x R)
Volume específico Entalpia Energia interna Entropia
Pressão Temperatura
pa t vL x103 vLV νV hL hLV hV uL uV sL sV
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
1 101,70 16,136 333,584 333,60 69,7 1036,0 1105,8 69,7 1044,0 0,13266 1,9779
5 162,21 16,407 73,514 73,53 130,2 1000,9 1131,0 130,2 1063,0 0,23486 1,8441
10 193,19 16,590 38,403 38,42 161,2 982,1 1143,3 161,2 1072,2 0,28358 1,7877
14,696 211,99 16,715 26,783 26,80 180,2 970,4 1150,5 180,1 1077,6 0,31212 1,7567
20 227,96 16,830 20,073 20,09 196,3 960,1 1156,4 196,2 1082,0 0,33580 1,7320
psia °F
Volume específico Energia internaEntalpia Entropia
BTU/(lb x R)BTU/lbmft3/lbm BTU/lbm
Termodinâmica Aplicada
Tabela: vapor d’água (SI)
Pressão Temperatura
pa t vL x103 vLV νV hL hLV hV uL uV sL sV
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Líquido &vapor
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
Líquidosaturado
Vaporsaturado
2,5 127,4 1,0672 0,7176 0,7187 535,37 2181,5 2716,9 535,1 2537,2 1,6072 7,0527
3 133,6 1,0732 0,6047 0,6058 561,47 2163,8 2725,3 561,15 2543,6 1,6718 6,9919
3,5 138,9 1,0786 0,5232 0,5243 584,33 2148,1 2732,4 583,95 2546,9 1,7275 6,9405
4 143,6 1,0836 0,4614 0,4625 604,74 2133,8 2738,6 604,31 2553,6 1,7766 6,8959
4,5 147,9 1,0882 0,4129 0,4140 623,25 2120,7 2743,9 622,25 2557,6 1,8207 6,8565
Volume específico Entalpia Energia interna Entropia
bar,abs o C
kJ/kg kJ/kg x Km3 /kg kJ/kg
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