termodinâmica ii - aula inicial
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Aula ministrada pela Multivix em Vitória/ES no curso de Engª Mecânica em 2014_2TRANSCRIPT
Termodinâmica II Introdução à Termodinâmica para a Engenharia
Prof. MSc. Farley Correia Sardinha
2 Prof. Sardinha Prof. Sardinha
APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA
Metodologia de Trabalho e Discussões Iniciais
3 Prof. Sardinha
Ementa Entropia;
Aplicações da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica;
Ciclos de potência e refrigeração;
Conceitos de disponibilidade e irreversibilidade;
4 Prof. Sardinha
Ementa Aplicações de exergia na análise térmica
de processos;
Mistura de gases e gás-vapor;
Mistura de gases e reações químicas.
5 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 1. Energia e Primeira Lei da
Termodinâmica a) Sistemas termodinâmicos;
b) Estados termodinâmicos e variáveis de estado;
c) Trabalho e energia cinética;
d) Energia Potencial;
e) Conservação da Energia Mecânica;
f) Potência;
6 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 1. Energia e Primeira Lei da
Termodinâmica g) Trabalhos de Compressão e Expansão;
h) Transferências de Energia por Calor;
i) Balanço de Energia;
j) Propriedades Termodinâmicas;
k) Conservação de Massa;
l) Balanço da taxa de massa;
7 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 1. Energia e Primeira Lei da
Termodinâmica m) Conservação de energia para volume de controle
n) Bocais e difusores;
o) Turbinas;
p) Compressores e bombas;
q) Trocadores de Calor;
r) Análise Transiente.
8 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 2. Segunda Lei da Termodinâmica a) Introdução à 2ª Lei;
b) Disponibilidade e Irreversibilidade;
c) Aplicações a ciclos termodinâmicos;
d) Ciclos de potência interagindo com dois reservatórios
e) Ciclos de refrigeração e bombas de calor;
f) Ciclo de Carnot;
9 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 2. Segunda Lei da Termodinâmica g) Ciclo Otto;
h) Ciclo Diesel;
i) Ciclo Stirling;
j) Escala termodinâmica;
k) Escala dos gases ideais;
l) Máquinas reais X ideais.
10 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 3. Entropia a) Entropia como propriedade do sistema;
b) Valores em diversos casos;
c) Equações TdS;
d) Variação de Entropia;
e) Balanço de Entropia;
11 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 3. Entropia f) Sentido dos Processos;
g) Balanço de taxas;
h) Processos isentrópicos;
i) Eficiência isentrópica de máquinas térmicas;
j) Processos reversíveis.
12 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 4.Análise de Exergia a) Conceituação;
b) Exergia de um sistema;
c) Balanço de exergia em sistemas fechados;
d) Taxa de Exergia para Volumes em Regime Permanente;
e) Eficiência exergética;
f) Termoeconomia.
13 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 5.Sistemas de Potência a) Geração de potência;
b) Sistemas de potência a vapor;
c) Sistemas de Potência a Gás;
d) Sistemas de Refrigeração;
e) Bombas de calor;
f) Relações termodinâmicas.
14 Prof. Sardinha
Conteúdo Programático 6.Mistura de Gases
a) Considerações gerais;
b) Aplicações à psicrometria;
c) Misturas reagentes e combustão.
15 Prof. Sardinha
Objetivos Gerais O aluno deve apreender a relevância dos
conceitos mais fundamentais em Termodinâmica como base para um curso de Engenharia;
Desenvolver a capacidade de identificar tais conceitos ao se deparar com diferentes fenômenos naturais e aplicações tecnológicas.
Tornar-se capaz de empregar tais conceitos em sua vida profissional, utilizando-os no desenvolvimento de soluções dentro das atividades características da Engenharia.
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Formas de Avaliação 1º Bimestre (2 avaliações)
Pré-projeto = 2,0 pontos
P1 = 8,0 pontos (Sem. de Avaliações)
2º Bimestre (2 avaliações)
Projeto = 4,0 pontos
P2 = 6,0 pontos (Sem. de Avaliações)
17 Prof. Sardinha
Projeto “Máquinas Térmicas”
Objetivos:
Colocar em prática os conhecimentos adquiridos em aula.
Favorecer o desenvolvimento de habilidades inerentes à Engenharia.
Proporcionar uma avaliação diferenciada dos métodos tradicionais e que leva em conta as habilidades que vão muito além do meio acadêmico.
18 Prof. Sardinha
Projeto “Máquinas Térmicas”
Motivação:
Representar uma máquina térmica, em escala, de forma a tornar possível compreender o seu funcionamento.
Meta:
Formar uma equipe de NO MÁXIMO 5 PESSOAS para construir um protótipo funcional de uma máquina térmica, tal como um motor Otto, um motor Diesel, um motor Stirling, uma turbina, etc.
19 Prof. Sardinha
Bibliografia Básica MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETNER, D. D.; B
AILEY, M. B. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 7ª Ed., Rio de Janeiro: LTC, 2014.
SCHMIDT, F. W.; HENDERSON, R. E.; WOLGEMUTH, C. H. Introdução às Ciências Térmicas: Termodinâmica, Mecânica dos fluidos e Transferência de Calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1996.
WYLEN, G. J. V.; BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica. 6ª Ed., São Paulo: Edgard Blucher, 2003.
20 Prof. Sardinha Prof. Sardinha
REVISÃO GERAL DE TERMODINÂMICA I
Conceitos Importantes
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Conceitos e Definições Introdutórias
SISTEMA – qualquer coisa que você queira estudar.
VIZINHANÇA – qualquer coisa externa ao sistema.
FRONTEIRA – separa o sistema de sua vizinhança.
Sistema Vizinhança
Fronteira
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Sistema fechado – é aquele que:
Contém sempre o mesmo tipo de matéria;
Não sofre transferência de massa através de sua fronteira.
Sistema isolado – tipo especial de sistema fechado que não interage de forma alguma com sua vizinhança.
Fronteira
23 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Volume de Controle – é uma região do espaço através da qual flui massa.
A massa pode atravessar a fronteira do volume de controle.
24 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Sistemas podem ser descritos a partir de pontos de vista macroscópicos e microscópicos.
Abordagem Microscópica – objetiva caracterizar por métodos estatísticos o comportamento médio de partículas que compõem um sistema e usa essa informação para descrever o comportamento geral do sistema. É usado pela Termodinâmica Estatística.
Abordagem Macroscópica – descreve o comportamento do sistema em termos de efeitos globais das partículas que compõem o sistema ou, mais especificamente, efeitos que podem ser medidos por instrumentos tais como manômetros e termômetros. É usado pela Termodinâmica Clássica.
A Engenharia usa predominantemente a Termodinâmica Clássica.
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Conceitos e Definições Introdutórias
Propriedade – é uma característica macroscópica de um sistema para o qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado instante sem conhecimento do comportamento anterior do sistema.
Para o pistão apresentado abaixo pode-se listar:
Massa
Volume
Energia
Pressão
Temperatura
Gás
26 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Estado – É a condição de um sistema como descrita por suas propriedades.
Frequentemente pode-se especificar o estado de um sistema ao fornecer valores de um subconjunto de suas propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.
Gás
Estado: p, V, T, …
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Conceitos e Definições Introdutórias
Processo – É uma transformação de um estado para outro.
Quando qualquer uma das propriedades de um sistema muda, o estado muda, e se diz que o sistema foi submetido a um processo.
Estado 1: p1, V1, T1, … Estado 2: p2, V2, T2, …
Gás Gás
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Conceitos e Definições Introdutórias
Propriedades Extensivas – dependem do tamanho ou da extensão de um sistema, tal como a massa, o volume e a energia.
Seu valor para um sistema como um todo é a soma dos valores para suas partes
Seu valor pode variar com o tempo, mas não com a posição.
29 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Propriedades Intensivas – são independentes do tamanho ou extensão de um sistema, tais como pressão ou temperatura.
Seu valor não é aditivo como para as propriedades extensivas.
Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer instante, ou seja, são funções dependentes da posição e do tempo.
30 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Um sistema isolado não interage com sua vizinhança.
No entanto, seu estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos ocorrendo internamente à medida que suas propriedades intensivas, tais como a temperatura e a pressão tendem a valores uniformes.
Quando todas essas mudanças cessam, o sistema entra em um estado de equilíbrio.
Estados de equilíbrio e processos que levam de um estado de equilíbrio para outro têm um importante papel em análises termodinâmicas.
31 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Do ponto de vista macroscópico, a descrição da matéria é simplificada ao se considerar a mesma como sendo uma distribução contínua em uma determinada região.
Quando substâncias são tratadas como continua, torna-se possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas “em um ponto.”
A densidade é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto.
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Conceitos e Definições Introdutórias
Em qualquer instante, a densidade em um ponto é definida como:
𝜌 = lim𝑉→𝛿𝑉
𝑚
𝑉
Onde dV é o menor volume para o qual um valor definido dessa razão existe.
Lembrando que no SI a unidade de medida de densidade é kg/m3, já no sistema britânico a unidade é lb/ft3.
33 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Volume específico (𝜗) – é uma propriedade intensiva que é o recíproco (inverso) da densidade:
𝜗 =1
𝜌
O volume específico é comumente mais utilizado em análises termodinâmicas, quando se trabalha com gases que tipicamente possuem pequenos valores de densidade.
34 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Considerando uma superfície arbitrária de área A, em um ponto qualquer de um fluido em repouso, a pressão nesse ponto é definida por:
𝑝 = lim𝐴→𝛿𝐴
𝐹𝑁𝐴
Onde dA é a menor área para a qual um valor definido dessa razão existe e FN é a força normal a essa superfície.
35 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
A unidade SI para a pressão é o pascal (Pa):
1 Pa = 1𝑁𝑚2
Alguns múltiplos do pascal costumam ser usados:
1 𝑘𝑃𝑎 = 103𝑁𝑚2
1 𝑏𝑎𝑟 = 105𝑁𝑚2
1 𝑀𝑃𝑎 = 106𝑁𝑚2
Dentre as unidades inglesas destacam-se:
pounds force per square foot → 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑡2
pounds force per square inch → 𝑙𝑏𝑓 𝑖𝑛2
36 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Pressão Absoluta – relacionada à pressão zero de um vácuo completo. Ela deve ser usada em relações termodinâmicas.
Instrumentos medidores de pressão frequentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera fora do instrumento de medida.
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Quando a pressão do sistema é maior que a pressão atmosférica, o termo pressão manométrica é usado:
𝑝 𝑚𝑎𝑛 = 𝑝 𝑎𝑏𝑠 − 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠
Quando a pressão atmosférica é maior que a pressão do sistema, o termo pressão de vácuo é usado:
𝑝 𝑣𝑎𝑐 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠 − 𝑝 𝑎𝑏𝑠
38 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
Se dois objetos (um mais aquecido que o outro) forem colocados em contato e isolados de sua vizinhança, eles interagirão termicamente de forma a causar mudanças em propriedades observáveis.
Quando as mudanças em ambos os objetos cessarem eles entrarão em equilíbrio térmico.
A temperatura é a grandeza física que determina quando esse equilíbrio térmico ocorre.
39 Prof. Sardinha
Conceitos e Definições Introdutórias
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Balanço de Energia para Sistemas Fechados
Energia é uma propriedade extensiva que inclui a energia cinética e a energia potencial gravitacional da engenharia mecânica.
Para sistemas fechados, a energia é transferida para dentro e para fora do sistema, através de sua fronteira, por duas maneiras: através do calor e da realização de trabalho.
Segundo a 1ª Lei da Termodinâmica, a energia sempre se conserva.
41 Prof. Sardinha
Balanço de Energia para Sistemas Fechados
O balanço de energia para sistemas fechados implica em:
A mudança na quantidade de energia contida dentro de um
sistema fechado durante certo intervalo de tempo
A transferência líquida de energia para dentro e para fora da fronteira de
um sistema por calor e/ou trabalho durante
esse intervalo de tempo
42 Prof. Sardinha
Mudança de Energia de um Sistema
Em termodinâmica a variação de energia de um sistema tem três contribuições:
Energia cinética
Energia potencial gravitacional
Energia interna
43 Prof. Sardinha
Variação na Energia Cinética A variação da energia cinética está associada
com o movimento do sistema como um todo, relativamente a um sistema de coordenadas externo.
Para um sistema de massa m, a variação da energia cinética do estado 1 para o 2 é:
DK = K2 – K1 =𝑚
2𝑣2
2 − 𝑣12
44 Prof. Sardinha
Variação na Energia Potencial Gravitacional
A variação da energia potencial gravitacional está associada com a posição do sistema com relação ao campo gravitacional terrestre.
Para um sistema de massa m, a variação da energia potencial gravitacional do estado 1 para o 2 é:
DP = P2 – P1 =𝑚.𝑔. 𝑧2 − 𝑧1
45 Prof. Sardinha
Variação da Energia Interna A variação da energia interna (DU) está
associada à composição do sistema, incluindo sua composição química.
Não existe uma equação simples como as duas anteriores para calcular a variação da energia interna. Na maioria dos casos a variação é calculada usando dados tabelados.
46 Prof. Sardinha
Variação da Energia TOTAL Em suma, a variação da energia total de um
sistema, que passa de um estado 1 para um estado 2, será dada por:
∆𝐸 = ∆𝑈 + ∆𝐾 + ∆𝑃
Ou seja: 𝐸2 − 𝐸1 = 𝑈2 − 𝑈1 + 𝐾2 − 𝐾1 + 𝑃2 − 𝑃1
Não existe nenhum significado particular a ser atribuído à energia do sistema em um estado, o que mais importa é sua variação!
47 Prof. Sardinha
Transferência de Energia A energia pode ser transferida de um
sistema para outro através de duas formas:
Trabalho;
Calor.
Mas, lembre-se que a Termodinâmica interpreta o trabalho de uma forma mais ampla do que a Mecânica.
48 Prof. Sardinha
Exemplos de trabalho
49 Prof. Sardinha
Transferência de Energia por Trabalho
Como a Termodinâmica frequentemente lida com motores de combustão interna, turbinas e geradores elétricos, convencionou-se a regra:
𝑊 > 0 → Trabalho feito PELO sistema;
𝑊 < 0 → Trabalho feito SOBRE O sistema;
O mesmo vale para a potência 𝑊 .
50 Prof. Sardinha
Trabalho de Expansão e Compressão
Considerando o sistema abaixo:
O trabalho é dado por:
𝑊 = 𝐹. 𝑑𝑥 = 𝑝. 𝐴. 𝑑𝑥 ⇒ 𝑊 = 𝑝. 𝑑𝑉𝑉2
𝑉1
51 Prof. Sardinha
Trabalho de Expansão e Compressão
Essa equação pode ser usada para calcular o trabalho de processos ideais, durante os quais a pressão p é a pressão de todo o gás e não aquela somente na face do pistão.
Para isso deve-se supor que o gás passa uma sequência de estados de equilíbrio durante o processo.
Tal expansão (ou compressão) ideal é chamada de processo de quase-equilíbrio (ou quase-estático).
52 Prof. Sardinha
Trabalho de Expansão e Compressão
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Trabalho de Expansão e Compressão
Em uma expansão em quase-equilíbrio o processo sofrido pelo gás ocorre como no gráfico ao lado.
Ao se calcular o trabalho realizado pelo gás através da equação anterior obtém-se valor igual à área sob o gráfico.
54 Prof. Sardinha
Trabalho de Expansão e Compressão
Um exemplo de processo quase-equilíbrio é o processo politrópico, que é descrito pela equação:
𝑝. 𝑉𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Para o caso n = 1, então p1.V1 = p2.V2 = const:
𝑊 = 𝑝. 𝑑𝑉𝑉2
𝑉1
𝑊 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑉. 𝑑𝑉
𝑉2
𝑉1
𝑊 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 . 𝑙𝑛𝑉2𝑉1
55 Prof. Sardinha
Exemplo 1. Um gás em um conjunto cilindro-pistão passa
por uma expansão politrópica. A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3.
Determine o trabalho, em kJ, se:
a) n = 1,5
b) n = 1,0
c) n = 0
56 Prof. Sardinha
Transferência de Energia por Calor
A transferência de energia por calor é induzida pela diferença de temperaturas entre o sistema e sua vizinhança.
Essa transferência sempre ocorre na direção do decréscimo de temperatura.
57 Prof. Sardinha
Transferência de Energia por Calor
Ao contrário da transferência de energia por trabalho, a transferência por calor obedece a seguinte regra: 𝑄 > 0 → Calor RECEBIDO pelo sistema;
𝑄 < 0 → Calor CEDIDO pelo sistema;
O mesmo vale para a taxa de transferência de energia por calor 𝑄 .
Se um sistema passa por um processo sem trocar calor com sua vizinhança, o processo é dito adiabático.
58 Prof. Sardinha
Transferência de Energia por Calor
A energia pode ser transferida por calor de três maneiras:
Condução – é a transferência de energia por interação entre partículas adjacentes (sempre das mais energéticas para as menos energéticas) de uma ou mais substâncias.
Convecção – é a transferência de energia por interação entre uma superfície sólida e um fluido adjacente pela combinação de efeitos de condução e fluxo de partes do fluido.
Irradiação – é a transferência de energia por radiação térmica, sem a necessidade de um meio material.
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Transferência por Condução Pela Lei de Fourier, a taxa de
transferência de energia através de um plano paralelo ao eixo x é:
𝑄 𝑥 = −𝜅. 𝐴.𝑑𝑇
𝑑𝑥
Considerando que a temperatura decresce linearmente com x:
𝑄 𝑥 = −𝜅. 𝐴.𝑇2 − 𝑇1
𝐿
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Transferência por Convecção Pela Lei de Resfriamento de Newton, a taxa de
transferência de energia por convecção é dada por:
𝑄 𝐶 = ℎ. 𝐴. 𝑇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
Onde h é um parâmetro empírico chamado coeficiente de transferência de calor por convecção.
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Transferência por Irradiação Pela Lei de Stefan-Boltzman, a taxa de transferência de
energia por ondas eletromagnéticas é dada por:
𝑄 𝑟 = 𝜀. 𝜎. 𝐴. 𝑇𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠𝑜𝑟4 − 𝑇𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟
4
Onde e é uma propriedade da superfície chamada emissividade e s é constante de Stefan-Boltzman.
62 Prof. Sardinha
Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados
Pode-se resumir os conceitos introduzidos até agora como abaixo:
Ou seja: ∆𝐸 = 𝑄 −𝑊
∆𝐾 + ∆𝑃 + ∆𝑈 = 𝑄 −𝑊
VARIAÇÃO na quantidade de energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo.
Quantidade de energia RECEBIDA através das fronteiras do sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR.
Quantidade de energia CEDIDA através das fronteiras do sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
63 Prof. Sardinha
Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados
Então, taxa de transferência de energia pode ser dada por:
∆𝐸 = 𝑄 −𝑊 ⇒𝑑𝐸
𝑑𝑡= 𝑄 −𝑊
Em palavras:
A TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORAL da energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo.
TAXA DE ENERGIA RECEBIDA pelo sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR.
TAXA DE ENERGIA CEDIDA pelo sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
64 Prof. Sardinha
Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados
65 Prof. Sardinha
Exemplo 2. 4,0 kg de certo gás em um conjunto cilindro-
pistão passa por uma expansão politrópica, dada por:
𝑝. 𝑉1,5 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3. A variação da energia interna específica é 𝑢2 − 𝑢1 = −4,6 𝑘𝐽
𝑘𝑔 .
Considerando que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis, determine o calor, em kJ.
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Exemplo 3. Um gás em um conjunto cilindro-pistão vertical e
isolante, com um resistor elétrico em seu interior. A atmosfera exerce uma pressão de 1,0 bar no topo do pistão, que tem 45 kg e 0,09 m2. À medida que o resistor aquece o volume dos 0,27 kg de ar aumenta em 0,045 m3, enquanto sua pressão permanece constante e sua energia interna específica aumenta em 42 kJ/kg. Usando g = 9,81 m/s2, determine o calor entre o resistor e o gás, em kJ, para um sistema consistindo de:
a) Apenas o gás. b) O gás e o pistão.
67 Prof. Sardinha
Exemplo 4. Enquanto encontra-se em ponto morto, uma caixa de
marcha recebe 60 kW e transfere essa potência para o eixo de saída. Considerando-a como um sistema, a transferência de energia por convecção é:
𝑄 𝐶 = −ℎ. 𝐴. 𝑇𝑠 − 𝑇𝑓
Onde h = 0,171 kW/m2.K, A = 1,0 m2. é a área da superfície externa, cuja temperatura é 𝑇𝑠 = 300 𝐾.
Considerando que 𝑇𝑓 = 293 𝐾 é a temperatura do ar ao redor da caixa, calcule a taxa de transferência de energia e a potência fornecida, ambas em kW.
68 Prof. Sardinha
Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de
processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado.
Incluem-se entre seus exemplos:
Ciclos de Potência – desenvolvem uma transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade, usando uma transferência de energia por calor de gases em combustão.
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Ciclo de Potência A energias transferidas por
calor e trabalho são positivas na direção das setas.
WC é o trabalho realizado pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.
QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente de gases em combustão ou radiação solar.
QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, geralmente a atmosfera ou um lago.
70 Prof. Sardinha
Ciclo de Potência Aplicando o balanço de energia para ciclo de
operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝐸 − 𝑄𝑆
A performance (eficiência térmica) de um sistema que passa por um ciclo de potência é dada como a quantidade de calor recebida que é transformada em trabalho, ou seja:
𝜂 =𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂
𝑄𝐸
71 Prof. Sardinha
Exemplo 5. Um sistema é submetido a um ciclo de potência,
recebendo 1000 kJ por transferência de calor de gases de combustão, à temperatura de 500 K. O sistema descarrega 600 kJ na atmosfera a 300 K, por transferência de calor.
Considerando que os gases de combustão são a fonte quente e a atmosfera é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e a eficiência térmica , em kJ.
72 Prof. Sardinha
Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de
processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado.
Incluem-se entre seus exemplos:
Ciclos de Refrigeração – promovem o resfriamento, de um volume refrigerado através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Ciclo de Refrigeração A energias transferidas por
calor e trabalho são positivas na direção das setas.
WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.
QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo.
QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.
74 Prof. Sardinha
Ciclo de Refrigeração Aplicando o balanço de energia para ciclo de
operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝑆 − 𝑄𝐸
O coeficiente de performance do ciclo de refrigeração relaciona-se ao trabalho necessário pra retirar calor da fonte fria, ou seja:
𝜂 =𝑄𝐸
𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂
75 Prof. Sardinha
Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de
processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado.
Incluem-se entre seus exemplos:
Ciclos de Bombas de Calor – promovem o aquecimento, de um ambiente através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.
Prof. Sardinha Prof. Sardinha
Ciclo de Bomba de Calor A energias transferidas por
calor e trabalho são positivas na direção das setas.
WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.
QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo.
QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.
77 Prof. Sardinha
Ciclo de Bomba de Calor Aplicando o balanço de energia para ciclo de
operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝑆 − 𝑄𝐸
O coeficiente de performance do ciclo de bomba de calor relaciona-se ao trabalho necessário pra fornecer calor à fonte quente, ou seja:
𝛾 =𝑄𝑆
𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂
78 Prof. Sardinha
Exemplo 6. Um sistema é submetido a um ciclo de bomba
de calor ao descarregar 900 kJ a um ambiente e recebendo 600 kJ do ar externo, a 5 °C, em ambos os casos por transferência de calor.
Considerando que o ambiente é a fonte quente e o ar externo é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e o coeficiente de performance, em kJ.
79 Prof. Sardinha
Outras Propriedades Importantes Fase – é uma porção de matéria que é homogênea,
tanto com relação à composição química, quanto com relação à estrutura física.
Uma porção de matéria homogênea com relação à sua estrutura física deve estar completamente em um único estado de agregação.
Substância pura – é uma substância uniforme e invariável em sua composição química.
Uma substância pura pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em todas as fases.
80 Prof. Sardinha
Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples
Sistemas compressíveis simples (SCS) – são sistemas formados de substâncias puras comuns.
O estado intensivo de um SCS em equilíbrio é descrito por suas propriedades intensivas, cujo número é determinado pelo princípio dos estados equivalentes.
No entanto, propriedades cujos valores dependem de escolhas de dados arbitrárias são irrelevantes para o princípio dos estados equivalentes.
81 Prof. Sardinha
Nem todas as propriedades intensivas relevantes são independentes:
Algumas relacionam-se por definições teóricas;
Outras se relacionam por expressões empíricas;
E outras podem ser independentes para uma única fase e tornarem-se independentes quando há mais fases presentes.
Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples
82 Prof. Sardinha
Princípio de Estado dos SCS – para um SCS, valores de quaisquer duas propriedades intensivas independentes determinam os valores de todas as outras propriedades intensivas.
Entre pares alternativos de propriedades alternativas independentes (T, v) e (p, v) são frequentemente convenientes. Mas, T e p não formam sempre um par independente.
Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples
83 Prof. Sardinha
Para SCS puros, a pressão pode ser
determinada como uma função da
temperatura e do volume específico: p = p(T, v)
O gráfico dessa relação para a água
está indicado ao lado.
Regiões de fase única incluem a
fase sólida, a fase líquida e o vapor.
Superfície p-v-T
Regiões de fase dupla, onde duas fases coexistem em
equilíbrio, estão localizadas entre regiões de fase
única.