Aula Calor e Fluidos Concurso No 357.Pptx

1

Universidade Federal de Minas Gerais

Engenharia Mecânica

JOSÉ GUILHERME COELHO BAETA

Aula Concurso Calor e Fluidos: Substância Pura, Mistura de gases, ar úmido e Combustão

ÁREA: ENGENHARIA MECÂNICA

SUB-ÁREA:CALOR E FLUIDOS

Aula apresentada como parte das exigências do Concurso de Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, publicado no Diário Oficial da União em 01/07/2013 (EDITAL Nº 357).

Belo Horizonte Minas GeraisAula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG

2Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG



Proposta de Ementa para o Curso Termodinâmica (Graduação)

1- Introdução e Conceitos Básicos (Termodinâmica Clássica e Estatística, Calor e Trabalho, Sistemas, Propriedades, Equilíbrio, Ciclos, Lei zero)

2- Transferência de Energia e Análise Geral da Energia (Formas, Transf. Calor, Trabalho, Introdução a primeira Lei da Termodinâmica)

3- Substância Pura (Conceito, Fases, Processos de Mudança de Fase, Diagramas, Tabelas, Gás Ideal, Equações de Estado)

4- Primeira Lei da Termodinâmica

5- Segunda Lei da Termodinâmica

6- Exergia

7- Ciclos de Potência a Gás

8- Ciclos de Potência a Vapor

9- Ciclos de Refrigeração




Proposta de Ementa para o Curso Termodinâmica (Graduação)

10- Relações de Propriedades Termodinâmicas

11- Mistura de Gases (Composição, Fração Molar, Mássica e Volumétrica, Propriedades da Mistura)

12- Mistura de Gases e Vapor (Ar seco, Umidade Específica e Relativa, Temperatura Ponto de Orvalho, Temperaturas de Bulbo Úmido )

13- Combustão (Combustíveis, Processos, Entalpia de Formação e Entalpia de Combustão)



Engenharia MecânicaPlano Aula – 26/09/2013 (Subst. Pura, Mistura de gases, Ar úmido e Combustão)

1-) Substância pura a-) Conceitos de substância pura;b-) Fases e Processos de Mudança de Fase;c-) Diagramas e Tabelas;d-) Gás Ideal e Equações de Estado.

2-) Mistura de gases a-) Mistura de gases ideais;b-) Lei de Dalton (Pressão parcial);c-) Concentrações (molar=volumétrica e mássica);d-) Cálculo de calor específico, entalpia e entropia de misturas de gases ideais.




3-) Ar Úmido a-) Definições (umidade específica, relativa, temperatura ponto de orvalho, bulbo úmido;b-) Carta psicrométrica para diferentes localidades;

4-) Introdução a Combustão a-) Conceitos;b-) Estequiometria (Razão ar/combustível molar e mássica;c-) Razão de equivalência, fator Lambda.

Plano Aula – 26/09/2013 (Subst. Pura, Mistura de gases, Ar úmido e Combustão)




Revisão (Termodinâmica / História)

Surgimento da Ciência Termodinâmica – (1697-1712) construção de motores a vapor na Inglaterra – Thomas Savery/ Newcomen;

(1850) 1 e 2 Leis da Termodinâmica;

Termodinâmica Clássica – Macroscópica (contínuo)

Termodinâmica Estatística – Microscópica (Grandes grupos de partículas)

Tipos de Energia (Potencial, Cinética, Interna)

Energia Sensível - Associada à cinética das moléculas (Elétrons)

Energia Latente – Associada a mudança de fase da substância

Energia Química – Associada às ligações atômicas de uma molécula

Energia Nuclear – Associada às ligações no interior do núcleo dos átomos




Conceitos de Substância Pura

Mesma composição química em toda a extensão. (Homogênea/Uniforme)

Uma mistura de uma ou mais fases de uma substância é dita pura se a composição química não se alterar em qualquer das fases.

Com mais de um elemento são puras se a mistura for homogênea. (H20, ar, N2,He)



Engenharia MecânicaFases de uma Substância Pura

As fases de uma substância dependem de sua organização molecular que é homogênea em toda fase.

Sólidos possuem ligações intermoleculares fortes com padrão tridimensional que se repete e pequenas distâncias entre moléculas.

Líquidos possuem ligações intermoleculares mais fracas que o sólido e as moléculas podem transladar e girar livremente, contudo as distâncias entre as moléculas não são tão diferentes.

Gases apresentam as ligações intermoleculares mais fracas e são totalmente livres.




Definindo propriedades para definição de um estado.

v [m3/kg]

T [0C]

1

2 3 4

5

P=c

te

Zona de Saturação ou Latente (Mistura)

Líqu

ido

Com

prim

ido

Vap

or

Sup

eraq

ueci

do

1- Líquido Comprimido – A absorção ou remoção de calor resulta na alteração da temperatura do fluido (fase líquida);

2- Líquido Saturado – Qualquer adição de calor inicia-se a mudança de fase;

P.C.

Liq.

Sat

urad

o

3- Mistura Liq./Vapor – Todo calor fornecido é usado para a mudança de fase (T,P=cte)

4- Vapor Saturado – A última gota de líquido se transformou em vapor e qualquer adição de calor levará a aumento na temperatura;

5- Vapor Superaquecido – A absorção ou remoção de calor resulta em variação da temperatura na fase vapor.

Vap. S

aturado




Propriedades Extensivas – Dependem da massa (V, H, S, E...)

Propriedades Intensivas – Não dependem da massa (v, h, s, u...)

Propriedades independentes, Calor latente ( ), Título.

; ;

Reg

ião

de

Liq

. Co

mp

rim

ido

Região de Vap. SuperaquecidoRegião de Saturação

P.C.

Lin

ha

de

líq. S

atu

rad

o

Linha de Vap. Saturado



Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T

Quanto menor a pressão, menor a temperatura de saturação.

Reg

ião

de

Liq

. Co

mp

rim

ido

Região de Vap. SuperaquecidoRegião de Saturação

P.C.

Lin

ha

de

líq. S

atu

rad

o

Linha de Vap. Saturado

Linha de temperatura constante é decrescente.




P.C. é o ponto onde a linha de saturação passa a constituir um ponto.

Abaixo do P.C. identifica-se a região de mudança de fase

No P.C. a mudança de fase ocorre em um ponto (Liq.Sat.=Vap.Sat.)

Acima do P.C. não existe processo identificável de quando a mudança de fase ocorreu. (existe apenas 1 fase)




Mapa incluindo a fase sólida - Substância contrai ao solidificar

Só

lid

o

Só

lid

o +

Líq

uid

o

Líq

uid

o

Líq. + Vap.

Linha Tripla

Sólido + Vapor

Vapor Sup.

Ponto Crítico




Mapa incluindo a fase sólida - Substância expande ao solidificar

Só

lid

o

Só

lid

o +

Líq

uid

o

Líq

uid

o

Líq. + Vap.

Linha Tripla

Sólido + Vapor

Vapor Sup.

Ponto Crítico




Sólido

Vapor

Fu

são

Fusão

Líquido

Vaporização

Sublimação

Substância que

expande ao solidificar

Substância que

contrai ao solidificar

P.C.

Ponto Triplo

No Diagrama P-T a linha tripla se apresenta como um ponto



Engenharia MecânicaPropriedades

Propriedades do Liq. Comp. Liq. Sat. a mesma Temperatura (incompressível)

Entalpia, Entropia.



Engenharia MecânicaGases Ideais

Gás cuja distância intermolecular seja suficientemente grande para que o comportamento de uma molécula não seja influenciada pela presença de outra.

Equações de Estado correlacionam P, T, v (em equilíbrio)

1802, J. Charles e J. Lussac – A baixas pressões

Base Mássica

Base Molar



Engenharia MecânicaGases Ideais

Vapor de água pode ser modelado como gás ideal a pressões bem baixas 10kPa

Gases em geral podem ser modelados como gás ideal em T>>Tcrit. e P<<Pcrit.



Engenharia MecânicaFator de compressibilidade – Desvio de gás-ideal

Correção da equação de gas ideal para comportamentos de gases reais.



Engenharia MecânicaOutras equações de estado

A equação de gás-ideal de um estado é bem simples mas de uso limitado. Para estender a faixa de utilização e a precisão do comportamento P-v-T algumas equações são propostas:

Van Der Waals – 1873 (a e b) Ponto Crítico

Forças intermoleculares

Derivando:

Baixa Precisão



Engenharia MecânicaOutras equações de estado

Equação Beattie – Bridgeman - 1928

Precisa até 0,8 x 𝞺 crítico

Equação Benedict-Webb-Rubin - 1940

Bem precisa até 2,5 x 𝞺 crítico

1962 – Strobridge estendeu de 8 para 16 constantes.



Engenharia MecânicaMistura de gases

Muitas importantes aplicações em termodinâmica envolvem misturas de substâncias puras no estado gasoso.

Uma mistura de gases não reativos pode ser tratada como substância pura uma vez que em geral essa é uma mistura homogenea de gases diferentes.

Propriedades de uma mistura de gases dependem das propriedades dos gases individuais e da sua composição.

Massa Molar, M (kg/kmol)

Constante do gás da mistura, Rm (kJ/kg. K)

Energia interna, u (kJ/kg)

Entalpia, h (kJ/kg)

Entropia, s (kJ/kg K)

AR




Composição de uma misturas de gases ideais

Fração mássica

Fração molar

Massa Molar da Mistura



Engenharia MecânicaMistura de gases ideais

Lei de Dalton (V, T) Lei de Amagat (P,T)




Propriedades de uma misturas de gases ideais

Propriedades extensivas





Propriedades intensivas

e

e

e





Da mesma forma, os calores específicos podem ser expressos:

e

e

A constante de gás da mistura:



Engenharia MecânicaAr úmido

Abaixo da temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância é comumente chamada de vapor

O termo vapor implica um estado gasoso que está próximo a região de saturação, elevando a possibilidade de condensação em um processo.

Assim, uma mistura de gás e vapor precisa ser modelada de maneira diferente de uma mistura de gases

O ar úmido é uma importante mistura de gases e vapor d água, chamado de ar atmosférico.

O ar que não contém vapor d água é chamado de ar seco

Abaixo de 12,3 kPa o vapor d água pode ser tratado como um gás ideal



Engenharia MecânicaAr Úmido

Relevância

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=ozsc4LJC-ij2sM&tbnid=Rox2ut6w69gEXM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=clima/confortoTermicoHumano&ei=eKZDUvTiDY7c9QThs4GoDw&bvm=bv.53217764,d.eWU&psig=AFQjCNGMYy7l0nmGykaDZnOxiewYnx_hzA&ust=1380251541299632



Engenharia MecânicaAr úmido

Abaixo de 12,3 kPa o vapor d água pode ser tratado como um gás ideal e nestas condições, o ar úmido pode ser considerado como uma mistura de gases ideais.

Pressão total

Pressão parcial do ar seco

Pressão parcial do vapor d água, chamada de pressão de vapor




Umidade Específica, ω
















Umidade Relativa




Ponto de orvalho

Temperatura à qual o vapor d´água se condensa quando resfriado a pressão e umidade absoluta constantes.




Temperatura de Bulbo úmido

Um termômetro cujo o bulbo esteja coberto por uma mecha de algodão saturado com água e exposto a um fluxo de ar sobre a mecha indicará a temperatura de bulbo úmido.

Temperatura do gás ou do ar indicada por um termômetro comum, sem condensação na superfície do bulbo, não exposto à radiação.

Temperatura de Bulbo Seco




Carta PsicrométricaÉ um diagrama (forma gráfica) que mostra o conjunto de propriedades termodinâmicas da mistura ar- vapor d'água.



Engenharia MecânicaIntrodução à Combustão

Reação química de oxidação rápida onde as ligações no interior das moléculas dos reagentes são quebradas e os átomos e elétrons se reorganizam para formar os produtos.

Reagentes Produtos

Combustível + Oxidante Produtos

Modelos de combustíveis líquidos

Modelos de combustíveis gasosos

Gasolina (octano)

Diesel (dodecano)

Álcool (etanol)

Metano

Etano

Propano

Butano




Combustão completa ou estequiométrica é aquela que todo o combustível é completamente oxidado produzindo basicamente vapor d’agua e dióxido de carbono.

A massa dos reagentes é igual a massa dos produtos de combustão, mas o número de mols dos reagentes pode diferir dos produtos.

ElementoPeso

Molecular [kg/kmol]

H2 2,02

O2 32

H2O 18,02




Razão ar combustível

• λ >1 mistura pobre

• λ =1 mistura estequiométrica

• λ <1 mistura rica

Fator Lambda,λ



Engenharia MecânicaIntrodução a Combustão

Estequiometria da Combustão

222224 52,7252,72 NOHCONOCH

metmet

arar

c

amet MN

MN

m

mAF

OHCOOCH 2224 22

Combustão estequiométrica do metano

Combustão estequiométrica do metano, com o ar seco

MACHO




Estequiometria da Combustão

222224 52,7252,72 NOHCONOCH

c

ar

metmet

arar

c

amet kg

kgMN

MN

m

mAF 2,17

02,161

2952,9

OHCOOCH 2224 22

Combustão estequiométrica do metano

Combustão estequiométrica do metano, com o ar seco

MACHO




Tópicos para próxima aula

Exercícios

Entalpia de formação e entalpia de combustão

Análise da primeira lei para os sistemas reagentes

Temperatura da Chama Adiabática

45

Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG



Referências Bibliográficas

MORAN, M.J., Shapiro, H.N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 6ª ed., LTC,

2009. BEJAN, A., Advanced EngineeringThermodynamics, 2ª Ed., John Wiley& Sons, 1997.

BORGNAKKE, C., Sonntag, R.E., Fundamentos da Termodinâmica. Tradução da7ª edição americana,Edgard Blücher, 2009 ÇENGEL Y.A, Boles M.A., Termodinâmica. 5ª ed. São Paulo. McGraw-Hill, 2006, 848 p.

GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, 1977.

KUO K. K. PrinciplesofCombustion. New York: John Willey & Sons, 1986.

SHARMA, S. P. et MOHAN, C. FuelsandCombustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984

Documents

Aula Calor e Fluidos Concurso No 357.Pptx