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ENGENHARIA DE SISTEMAS TERMODINÂMICOS I

Aula 1Conceitos Introdutórios e Definições

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DEFINIÇÃO DE TERMODINÂMICA

Termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. Energia pode ser entendida com a capacidade de produzir

mudanças ou realizar trabalho

TERMODINÂMICA

GREGO = Therme (calor) + dynamis (potência)

Abrange todos os aspectos da energia, incluindo “geração” (transformação de energia), refrigeração e

interações relativas as propriedades da matéria.

APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA

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COBRE UMA LARGA FAIXA DE APLICAÇÃO.

NÓS ESCOLHEMOS O SISTEMA DE INTERESSE

NÓS DELIMITAMOS O SISTEMA EM ESTUDO E TUDO EXTERNO AO SISTEMA DE INTERESSE É

VIZINHANÇA

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ALGUMAS ÁREAS DE APLICAÇÃO DA

TERMODINÂMICA

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Sistema fechado(Controle de Mass)

• Massa não pode atravessar a fronteira dos sistema

• Energia pode atravessar a fronteira do sistema

• O volume não é fixo6

Volume de Controle

• Massa pode atravessar a fronteira da superfície de controles

• O volume pode ser variável

• Energia pode atravessar a fronteira do sistema aberto (vol. de controle)

• Volumes de controle podem operar em regime permanente,ou variando com o tempo (enchendo/esvaziando)

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USINA TERMELÉTRICA

ARCOMBUSTÍVEL

ÁGUAGASES

INSTALAÇÃO NAVAL NUCLEAR

Fluido secundário circula no reator nuclear

Água recebe energia no gerador de vapor e circula nas turbinas

Esquema de uma usina Nucleoelétrica

Barras de Controle

P 160 atm

Vaso de Pressão

Trocador de calor Turbina

CondensadorT

Aquecedores Preliminares

Blindagem Biológica

INDÚSTRIA QUÍMICA

Produção de oxigênio

ANÁLISE DE IMPACTO AMBIENTAL

Propriedades

• As propriedades termodinâmicas servem para descrever o estado de um sistema e prever o seu comportamento.

• As propriedades termodinâmicas podem ser: Extensivas, Intensivas e Específicas.

• Extensivas: Dependem da massa ou tamanho do sistema (Volume [V])

• Intensivas: Independem da massa do sistema ou tamanho – P/ex: (Pressure [P]), (Temperature [T])

• Especificas: Extensivas/massa (Volume específico [v])

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Refere-se a uma quantidade de matéria que é homogênea química e fisicamente.

FASE DE UMA MATÉRIA

Outras Definições

Condições de uma matéria definida por suas propriedades

(endereço termodinâmico da matéria)

Outras Definições

ESTADO DE UMA MATÉRIA

Outras DefiniçõesPROCESSO

É a mudança que o sistema sofre ao sair de um estado para outro. É o

caminho descrito pela sucessão de estado por onde passa o sistema.

Outras Definições

• Tipos especiais de processos:– Isotérmico – Isobárico– Isométrico– Isentrópico– Adiabático

Ciclo: Série de processos que retorna o sistema ao estado inicial

CICLO

Um sistema executa um ciclo quando o fluido parte de um estado, passa por diversos estados percorrendo dois ou mais processos e retornando ao estado inicial.

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Dimensões primárias em mecânicaMASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA

O cálculo em engenharia exige preocupação com as unidades das quantidades físicas envolvidas.

UNIDADE: É uma certa quantidade de uma grandeza através da qual, por comparação, qualquer outra quantidade do mesmo tipo é medida.

UNIDADES PRIMÁRIAS NO SISTEMA INTERNACIONAL

- Massa: Kilograma, (kg).- Comprimento: Metro (m).- Tempo: Segundo (s).- Temperatura: Kelvin (K).

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DEFINIÇÕES DAS UNIDADES PRIMÁRIAS NO SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS

Unidade básica de massa: É o quilograma, kg. Ele é igual à massa de um cilindro de uma liga de Platina-irídio guardada pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas em Paris. A massa padrão para os Estados Unidos é mantida no National Institute of Standards and Technology.

Unidade básica de comprimento: É o metro, m. Definido como o comprimento percorrido pela luz em um vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 do segundo.Assim, a velocidade da luz no vácuo é 299 792 458 m/s.

Unidade básica de tempo: É o segundo, s. Definido com a duração da transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.Assim, a frequência da transição hiperfina do estado fundamental do átomo de césio 133, é de 9 192 631 770 Hz.

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FORÇA (unidade derivada)A segunda lei de Newton estabelece que a força líquida

agindo sobre um corpo é proporcional ao produto da massa pela aceleração.

amF .O Newton, N; é a força necessária para acelerar a

massa de 1 kg a uma taxa de 1 metro por segundo.

22 /.1/1.11 smkgsmkgN

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EXEMPLOQual é o peso de um objeto cuja massa é de 1 kg em um local da terra cuja aceleração da gravidade é 9,80665 m/s2.

amF .2/80665,9.1 smkgF

2/.806,9 smkgF

NF 806,9

Obs.: 1 kgf = 9,80665 N

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PRESSÃOA pressão de um gás é uma consequência

macroscópica dos choques moleculares sobre as paredes do reservatório onde se encontram. As partículas de um gás dispõem de grande liberdade de movimentos e deslocam-se no espaço em todas as direcções, chocando entre si ou com as superfícies de todos os corpos (sólidos ou líquidos) .

Pressão

• P = Força/Área• Tipos:

– Absoluta– Manométrica

(Vacuométrica)– Atmosférica

atmmanabs PPP

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PRESSÃO ATMOSFÉRICA

(PRESSÃO BAROMÉTRICA)

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hgPatm .

27

ms

m

m

kgxPatm 760,0.806,9.106,13

233

hgPatm .

23

.1035,101

sm

kgxPatm

Pressão atmosférica ao nível do mar.

28

23

.1035,101

sm

kgxPatm 2

.11s

mkgN

23

22

23 1035,101

.

.1035,101

m

Nx

sm

sNxPatm

kPaPaxPatm 35,1011035,101 3

barkPaPatm 0135,135,101

29

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1 bar = 100 kPa

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PRESSÃO MANOMÉTRICA

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LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Formulada por R. H. Fowler em 1931

Mais de meio século após a primeira e a segunda

“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si”.

Ao substituir o terceiro corpo por um termômetro, a lei zero pode ser reescrita como: “Dois corpos estão em equilíbrio térmico se ambos tiverem a mesma leitura de temperatura, mesmo que não estejam em contato”.

A igualdade de temperatura é a única exigência para o equilíbrio térmico.

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TEMPERATURA

A temperatura é uma propriedade macroscópica relacionada com o tacto. O sentido do tacto não permite medir a temperatura com rigor, porque é subjectivo.

Os instrumentos que quantificam a temperatura sem subjectividade são os termómetros. O funcionamento do termómetro baseia-se na Lei Zero da Termodinâmica.

Do ponto de vista microscópico, “a temperatura é apenas uma medida diferente da energia cinética média das moléculas (Gerthsen, Kneser, e Vogel, 1998).”

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ESCALAS DE TEMPERATURAS

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O físico inglês Lorde William Thomson Kelvin (1824-1907), definiu a noção de zero absoluto e estabeleceu a escala de temperatura que tem o seu nome, tendo sido adoptada oficialmente, como unidade de temperatura no Sistema Internacional, sendo representada com o símbolo K. No entanto, a temperatura é muitas vezes medida em graus Celsius, com o símbolo ºC, escala termométrica inventada pelo físico e astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744), tendo escolhido o ponto de fusão do gelo (0 ºC) e o ponto de ebulição da água (100 ºC) para calibrar os seus termómetros.

Para converter uma temperatura TC em ºC, numa

temperatura absoluta T em K, utiliza-se a seguinte relação:

T (K) = TC (ºC) + 273,15

Temperatura

• Medida da energia térmica; relativa ao aquecimento e ao resfriamento

• Deve-se usar a escalas de temperatura absoluta (K)

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Entregar um trabalho manuscrito sobre:

TÉCNICA PARA SOLUÇÃO DE PROBLEMAS TERMÔDINAMICOS E ALGARISMOS SIGNIFICATIVOS.

Prazo de entrega: Próxima aula

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BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS E RECOMENDADAS

1 – Princípios de Termodinâmica Para a Engenharia – Michael J. Moran & Howard N. Shapiro, LTC – 4 ed.

2 – Termodinâmica: uma abordagem para engenharia. Yunus A. Çengel e Michael A. Boles, Mc Graw Hill – 5ª edição 2006.