Termodinamica - Apostila

1

Termodinâmica Aplicada

TERMODINÂMICA

Disciplina:Termodinâmica

Professor: Caruso


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

2


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


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)

3


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


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.

4


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


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.

5


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 - 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

6


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)


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.

7


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.


TEMPERATURA IV

Lei Zero da Termodinâmica– Quando dois corpos estão em equilíbrio com

um terceiro corpo eles estarão também emequilíbrio entre si.

8


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).


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.

9


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


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?

10


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


– 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

11


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


Exercício 3

A que temperatura os seguintespares de escalas serãonumericamente iguais:– Fahrenheit e Celsius

– Fahrenheit e Kelvin

– Celsius e Kelvin

12



– 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


****

13


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


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

14


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


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

15


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

12

2

1

VVdV

12

2

1HHdH

12

2

1

VVdV

12

2

1

SSdS


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

16


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


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

17


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


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

18


Exercício 4

Dado que

Mostrar que

VLt vxvx1v

LV

V

T

V

mm

m

m

mx



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

19


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


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

20


Exercício 6

Determinar: temperatura desaturação, volume específico,entalpia, energia interna e aentropia do vapor saturado a 3,75bar, tendo-se um título de 100%


– 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

10

01

0

1 fppff

xx

xxp

p

:setem

:fazendo

21


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


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 -

22


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.


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 =

23


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


•

24


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%


25



Primeiro automóvel

Locomobile 1900 motor a vapor de dois cilindros

26


Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.


Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.

27


Motor de dois tempos


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

28


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


• 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

29


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


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.


30


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).



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.


31


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


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

Documents

Termodinamica - Apostila