Curso de Termodinâmica Aplicada Prof. Luís Mauro Moura Curso de Engenharia Mecânica - CEM Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR Telefone:

Curso de Termodinâmica Aplicada


Prof. Luís Mauro Moura Curso de Engenharia Mecânica - CEM Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR Telefone: (41) 3271-1341 e-mail: [email protected]

Engenheiro Mecânico formado pela UFSC em 1990 com mestrado em Ciências Térmicas também pela UFSC em 1993. Realizou doutorado No Institut de Sciences Appliquées de Lyon, INSA de Lyon - França na área de Ciências Térmicas e Energia, com obtenção em 1998.

Iniciou a carreira docente em 1999 na Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR) onde hoje é professor Titular. Trabalha com pesquisa na área de Ciências Térmicas e Aproveitamento de Energia, onde possui até o primeiro semestre de 2006, 13 orientações de mestrado e 11 orientações de iniciação científica. Orienta atualmente 3 alunos de doutorado e 4 alunos de mestrado.

Exerceu o cargo de Diretor do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR entre os anos de 2001 e 2006 e é atualmente o secretário da Regional Paraná da Associação Brasileira de Ciências Mecânicas. Pertence Conselho do Centro de Ciências e Tecnologia da PUCPR e Conselho Universitário da PUCPR.(CONSUN, CAMGRAD).

Professor do Programa de Formação em Motores e Combustíveis desde a primeira turma.



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Histórico

• Termodinâmica– THERME: Calor– DYNAMIS: Potência, força

Curso de Termodinâmica Aplicada www.df.ufscar.br/Termodinamica.pdf


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• Antoine-Laurent de Lavoisier (Paris, 26 de agosto de 1743 — Paris, 8 de maio de 1794) foi um químico francês, considerado o criador da Química moderna.

• Foi o primeiro cientista a enunciar o princípio da conservação da matéria. Além disso identificou e batizou o oxigênio.

• Os trabalhos de Lavoisier assinalam, no século XVIII, o início da Química moderna.• Escreveu um grande Tratado Elementar de Química, assumindo a inspeção nacional das

companhias de fabricação de pólvora e foi arrecadador de impostos, cargo pelo qual foi guilhotinado durante o período de Terror durante a Revolução Francesa.

• Além de químico, Lavoisier também foi um financista.• Afirmava nesta teoria que o calor era uma substância elástica, indestrutível e imponderável que os

materiais libertavam, aquecendo-os tendo origem no fogo. No entanto esta teoria nunca foi muito bem aceite, sendo contestada desde a sua apresentação.


Benjamin Thompson (Conde de Rumford), Massachusetts (1753 - 1814)Foi aprendiz numa loja, professor a tempo parcial, ginasta e estudante de medicina, interessando em máquinas elétricas. Aos 18 anos casou-se com uma senhora viúva muito rica de 30 anos e decidiu tornar-se um cavalheiro militar e fazendeiro. Atuou como agente secreto a favor da Inglaterra e em 1776 prudente mudar-se para lá e retomando assim os seus interesses científicos. Em 1782, voltou para a América tendo cumprindo o seu papel como soldado na guerra que iria terminar no ano seguinte. Foi nomeado Sir por George III e indicado como Conselheiro do Governador da Bavária reformulando as condições do exército, estabelecendo serviços de assistência social para os pobres. Ganhou assim o título de “Conde de Rumford” e muito prestígio entre a sociedade. Permaneceu durante 14 anos, altura em que se mudou para Londres, em 1798. Mudou-se para Paris em 1805 e casou-se com Marie Lavoisier, viúva do seu famoso “rival” das suas teorias sobre o calor. No entanto, as freqüentes brigas e desentendimentos levam o casal ao divórcio. Morre a 1814 com 61 anos. “Quando dois corpos dotados de temperaturas diferentes são postos em contato, ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. Durante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro.Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A idéia de que o calor é uma substância não podia, contudo, resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a Benjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson trabalhava para o governo da Baviera, como supervisão na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de ferro. Durante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes, havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas idéias abstratas em física: o princípio da conservação. De fato, neste caso havia duas quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado.Após realizar uma série de experiências e tentar explicá-las a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa que " ... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências, era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil, se não realmente impossível, formar uma idéia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a menos que essa coisa seja movimento".”


Um Experimento de Benjamin Thompson


Joule e seu experimento

JOULE, James Prescott (1818 – 1889)

“A quantidade de calor necessária para elevar de 1°Fuma libra de água equivale ao trabalho mecânicocapaz de erguer 772 libras à altura de 1 pé [1cal=4,8 J]”


A primeira locomotiva a vapor foi construída por Richard Trevithick e fez o seu primeiro percurso em 21 de Fevereiro de 1804.

Richard Trevithick (13 de Abril de 1771 - 22 de Abril de 1833) foi um inventor britânico nascido em Illogan, Cornwall.Trevithick foi um pioneiro cujas invenções eram avançadas demais para a sua época; além das locomotivas, construiu barcos a vapor, máquinas de debulhar e de dragar, no entanto nunca conseguiu investidores que o ajudassem a desenvolver as suas invenções.Em 1816, Trevithick mudou-se para o Peru para trabalhar como engenheiro nas minas e construir locomotivas que as servissem. Apesar do suceeso inicial, o começo da guerra civil em 1826 forçou-o a voltar a Inglaterra sem um tostão.Apesar do seu génio inventivo, Trevithick morreu na pobreza e na obscuridade e os seus inventos muito pouco reconhecidos.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/Trevithicks_Dampfwagen.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/13/Richard_Trevithick.jpg


Termodinâmica e suas aplicações


Refrigeração


CondensadorCompressor

Tubos & Mangueiras

Condicionador de Ar Automotivo

Evaporador

“HVAC”Caixa de ar


Bancada experimental

MOTOR ELETRICO

COMPRESSOR

EVAPORADOR

VENTILADOR

CONDENSADOR

VÁLVULA DEEXPANSÃO

FLUXÍMETRO

INVERSOR DEFREQÜÊNCIA

MANGUEIRADE SUCÇÃO

MANGUEIRADE DESCARGA

TUBOLÍQUIDO

TRANSDUTORDE PRESSÃO 1

(região de alta pressãoantes do compressor)


(região de alta pressãodepois do compressor)


(região de baixa pressão)

PRESSOSTATO

TERMOSTATOMECÂNICO


Geração de Energia


Sistemas de Vapor

11

C

B

18

22

23

21

20

19

14

13

12

10

8

7

6 5

3

2

1

AR

GA

SE

S

EN

. E

LÉ

TR

.

9

4

17

CH4 A

H

D

G

I

II

III


Cap. 1 - Conceitos introdutórios e definições

Sistema, Meio, Fronteira;

•Sistema fechado e Volume de controle

Volume de controle ou sistema abertoSistema fechadocom as válvulas fechadas


Conceitos introdutórios e definições

Propriedade, Estado, Processo;

•Propriedades intensivas e propriedades extensivas;

•Densidade, pressão, temperatura, energia específica.

•Massa, volume, energia.

•Ciclo termodinâmico;

•Regime permanente ou estado estacionário;

Fase (comp. quím. e física hom.) e Substância pura (comp. Quím. hom.).•Água e gelo é substância pura?•Ar é substância pura?


Equilíbrio

• Um estado de um sistema é um estado de equilíbrio se ele tende a permanecer depois que as interações entre o sistema e o meio são interrompidas (isolado).

EquilíbrioMecânico

EquilíbrioTérmico

EquilíbrioQuímico

Equilíbriode Fases

Equilíbrio Termodinâmico


Processo de não-equilíbrio e processo de quase-equilíbrio

Processo de não-equilíbrio:

Processo de quase-equilíbrio:

300°C

300°C30°C

30°C300°C

30,000000...1°C


Processo de não-equilíbrio

www.castrol.com/castrol www.mailxmail.com/curso/vida/motoresdecombustion

www.martinoauto.it


• Densidade e volume específico: [kg/m3 - m3/kg]

• Pressão: [Pa, bar, lbf/in2,...]

• Equilíbrio térmico e temperatura:• [K, °C, R, °F]

www.qmc.ufsc.br/

web.unido.it www.feiradeciencias.com.br

Lei Zero da Termodinâmica


Temperatura Absoluta

curvas isobáricas de Charles (Jacques Charles, 1746- 1823)

Joseph-Louis Gay-Lussac “um gás teria um volume nulo (zero) se a temperatura for de -273,15 °C. Como qualquer volume menor do que isso é impensável, então pode-se concluir que esta temperatura é a menor possível de ser atingida. Esta temperatura é chamada de zero absoluto. A escala absoluta da temperatura foi desenvolvida (mais tarde) por Lord Kelvin e é conhecida, hoje, como Escala Kelvin. Nesta escala, -273,15 °C corresponde a 0 K. A temperatura de fusão do gelo, então, é de +273,15 K, e a de ebulição da água é de +373,15 K. A conversão entre as escalas pode ser feita conforme a expressão abaixo:T(K) = T(°C) - 273,15

www.qmc.ufsc.br


Leis Principais da Termodinâmica

• A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura.

• Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante".

• A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo".

• A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.


Cap. 2 – Energia e a Primeira Lei

A etimologia da palavra tem origem no idioma grego, onde εργοs (ergos) significa "trabalho". A rigor é um conceito primordial, aceito pela Física sem definição, se refere "ao potencial inato para executar trabalho ou realizar uma ação"

Formas de energia – pode ser armazenada, transferida ou convertida. A quantidade total é conservada (Princípio da Conservação da Energia).

Unidade: joule [J]=[N.m]=[kg.m2/s2]

- Energia cinética

- Energia potencial (ou gravitacional)

- Energia química, ....

cs

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21

22

2

121 2

121

12 mgzmgzEPG galileu.globo.com

www.fisica-potierj.pro.br


Princípio da Conservação da Energia

Joule: “Não perderei tempo repetindo e estendendo essas experiências, pois estou seguro de que os grandes agentes danatureza são indestrutíveis, pelo fiat do Criador; e que quando se gasta poder mecânico, obtém-se sempre um calor exatamente equivalente.”


Trabalho

2

121

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Q + W +


Trabalho


Trabalho


Trabalho

relacao_p_v_.mov






Calor

• Energia em transito devido unicamente à diferença de temperatura e que não está associado à transferência de massa

• Processo adiabático

• Taxa de transferência de calor

][2

1 21 JQQ

02

1 21 QQ

][2121 W

sJ

tQ

Q


Primeira Lei

][12 JWQUU

WQdU

WQdtdU


Cap. 3 Propriedades Termodinâmicas

• Propriedades de substâncias puras

Substância impura


A Superfície p-v-T

Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica


Projeções da Superfície p-v-T



Projeções da Superfície p-v-T



Mudança de fase


P-v


A propriedade “título”


Gás ideal

• Lei de Boyle processo isotérmico (T=cte)

• Lei de Charles

processo isocórico (V=cte)

• 2° Lei de Charles

processo isobárico (p=cte)

• Faixa de Validade

RTPv


Fator de compressibilidade

crr

crr

crr

v

vv

T

TT

p

pp

Faixa de validade

Tr>2.0Pr<0.1 ou 0.01


O Diagrama Generalizado de Compressibilidade


Outras propriedades

• Entalpia

• • Entalpia específica

• Calores específicos, cv e cp

pVUH

pvuh

vv T

uc

pp T

hc

vv T

uc

pp T

hc

ii T

Qm

c

1

pdVdUQ

vcpck


Gás ideal



cp para gases ideais


A Segunda Lei da Termodinâmica

Pode qualquer processo acontecer?






Usos da Segunda Lei


Enunciado de Clausius


Enunciado de Kelvin - Planck


Os corolários de Carnot


O corolário de Clausius


Equação de balanço de entropia para sistema fechados


Equações de balanço de entropia


A escala Kelvin de temperatura

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