Termodinâmica para Engenheiros

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Este livro oferece uma introduo termodinmica, envolvendo armazenamento, transferncia e transformao de energia. Fornece os conceitos bsicos e habilidades para a resoluo de problemas que so posteriormente utilizados em mecnica dos fluidos, transferncia de calor e no projeto de sistemas termofluidos. Fomatado como um curso em cincias trmicas para estudantes de engenharia, Termodinmica para engenheiros concentra-se em fornecer uma viso de como a termodinmica pode ser usada para explicar exemplos de fenmenos cotidianos. Apresenta muitos exemplos prticos que demonstram a configurao e a soluo adequada de problemas e uma grande variedade de problemas como tarefa.

Text of Termodinâmica para Engenheiros

  • Termodinmicapara engenheiros

    Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

    Traduo da 1a edio norte-americana

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    Traduo da 1a edio norte-americana

    Esta obra apresenta uma introduo termodinmica, envolvendo armazena-mento, transferncia e transformao de energia. Fornece os conceitos bsicos e habilidades para a resoluo de problemas que so posteriormente utilizados em mecnica dos uidos, transferncia de calor e no projeto de sistemas termo uidos.

    Formatado para um curso de cincias trmicas para estudantes de engenharia, Termodinmica para engenheiros concentra-se em fornecer uma viso de como a termodinmica pode ser usada para explicar exemplos de fenmenos cotidianos. Apresenta muitos exemplos prticos e grande variedade de problemas como tarefa para desenvolver con guraes e solues adequadas.

    O texto apresenta ainda uma abordagem atualizada e didtica e utiliza muitos recursos gr cos, como fotos, tabelas, ilustraes e guras para exempli car com clareza o contedo estudado.

    APLICAESObra destinada s disciplinas relacionadas s reas trmicas, especialmente Termodinmica I e II, dos cursos de engenharias. Poder ser utilizado tambm como bibliogra a complementar nas disciplinas mais aplicadas, como mqui-nas trmicas, motores de combusto interna, sistemas frigor cos, trocadores de calor, mquinas hidrulicas entre outras.

    Termodinmicapara engenheiros

    Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

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    Fsica para cientistas e engenheiros Volume 2: Oscilaes, ondas e termodinmica Traduo da 8 edio norte-americana John W. Jewett, Jr. Raymond A. Serway

    Princpios de fsica Volume 2: Oscilaes, ondas e termodinmica Traduo da 5 edio norte-americana Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr.

    Princpios de transferncia de calor Traduo da 7 edio norte-americanaFrank KreithRaj M. ManglikMark S. Bohn

    TermodinmicaMerle C. PotterElaine P. Scott

    Termodinm

    icapara engenheiros

    Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

    ISBN 13 978-85-221-2198-4ISBN 10 85-221-2198-2

    9 7 8 8 5 2 2 1 2 1 9 8 4

  • Termodinmicapara engenheiros

    Traduo da 1a edio norte-americana

    Kenneth A. KroosVillanova University

    Merle C. PotterMichigan State University

    TraduoNoveritis do Brasil

    Reviso tcnicaFernando Guimares Aguiar

    Professor adjunto no Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade Federal de So Carlos.

    Leciona a disciplina Trocadores de Calor.

    Edio original em SI adaptada por

    Shaligram Tiwari

    Indian Institute of Technology Madras

    Austrlia Brasil Japo Coreia Mxico Cingapura Espanha Reino Unido Estados Unidos

    ERJ_Livro Termodinamica.indb 3 05/08/2015 11:03:19

  • Sumrio

    Parte 1 Conceitos e leis bsicas 1Captulo 1 Conceitos bsicos e sistemas de unidades 31.1 Introduo 5

    1.1.1 O que termodinmica? 5

    1.1.2 Como usamos a termodinmica? 5

    1.1.3 Como os engenheiros utilizam a termodinmica? 6

    1.1.4 Qual a histria da termodinmica? 6

    1.1.5 Qual o futuro da termodinmica? 6

    1.1.6 Quais so os conceitos e premissas fundamentais? 7

    1.1.7 Quais so as fases da matria? 8

    1.2 Dimenses e unidades 9

    1.2.1 O sistema SI 9

    1.2.2 O sistema ingls 11

    1.3 Propriedades, processos e equilbrio 12

    1.3.1 Propriedades e estado de um sistema 12

    1.3.2 Densidade e volume especfico 13

    1.3.3 Processos e equilbrio 15

    1.4 Presso 17

    1.4.1 O que presso? 17

    1.4.2 Presso absoluta e manomtrica 17

    1.4.3 Unidades de presso 18

    1.4.4 Dispositivos de medio de presso 18

    1.5 Temperatura 21

    1.5.1 O que temperatura? 21

    1.5.2 Escalas de temperatura absoluta e relativa 21

    1.5.3 Medio de temperatura 23

    1.6 Energia 26

    1.7 Resumo 27

    Problemas Questes prticas FE Exam 29

    ERJ_Livro Termodinamica.indb 7 05/08/2015 11:03:19

  • VIII Sumrio

    Captulo 2 Propriedades de substncias puras 35

    2.1 Fases de uma substncia 37

    2.1.1 Processo de mudana de fase 38

    2.1.2 Ttulo e clculos de lquido comprimido 41

    2.1.3 Vapor superaquecido 44

    2.1.4 Propriedades utilizando a Calculadora de Propriedades IRC 46

    2.1.5 Diagramas de fase 48

    2.2 Energia interna e entalpia 52

    2.2.1 Energia interna 52

    2.2.2 Entalpia 53

    2.2.3 Energia interna e entalpia para lquidos e slidos 54

    2.2.4 Calor latente 56

    2.3 Refrigerantes 56

    2.4 Lei do gs ideal 59

    2.5 Equaes de estado de gs real 60

    2.6 Energia interna e entalpia do gs ideal 63

    2.7 Calores especficos de lquidose slidos 68

    2.8 Resumo 69

    Problemas Questes prticas FE Exam 70

    Captulo 3 A primeira lei para sistemas 77

    3.1 Trabalho 80

    3.1.1 Definio e unidades 80

    3.1.2 Trabalho devido presso 80

    3.1.3 Outras formas de trabalho 83

    3.2 Transferncia de calor 86

    3.3 Mtodo de resoluo de problemas 89

    3.4 Primeira lei aplicada aos sistemas 90

    3.5 Primeira lei aplicada a diversos processos 92

    3.5.1 Processo a volume constante 93

    3.5.2 Processo a presso constante 94

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  • IXSumrio

    3.5.3 Processo a temperatura constante 96

    3.5.4 Processo adiabtico 97

    3.5.5 Processo politrpico 100

    3.6 Ciclos 102

    3.7 Resumo 103

    Problemas Questes prticas FE Exam 104

    Captulo 4 A primeira lei aplicada aos volumes de controle 115

    4.1 A conservao da massa para volumes de controle 118

    4.1.1 Informaes bsicas 118

    4.1.2 Equao de continuidade 119

    4.2 Primeira lei para volumes de controle 124

    4.2.1 Turbinas, compressores e bombas 126

    4.2.2 Dispositivos de estrangulamento 131

    4.2.3 Cmaras de mistura 133

    4.2.4 Trocadores de calor 135

    4.2.5 Bocais e difusores 139

    4.3 Escoamento transiente 141

    4.4 Dispositivos combinados em ciclos 144

    4.4.1 Ciclo Rankine 145

    4.4.2 Ciclo de refrigerao 147

    4.4.3 Ciclo Brayton 149

    4.5 Resumo 151

    Problemas Questes prticas FE Exam 153

    Captulo 5 A segunda lei da termodinmica 165

    5.1 Conceitos da segunda lei 166

    5.2 Enunciados da segunda lei da termodinmica 168

    5.2.1 Enunciado de Kelvin-Planck mquinas trmicas 168

    5.2.2 Enunciado de Clausius refrigeradores 169

    5.3 Parmetros de desempenho de ciclos 171

    ERJ_Livro Termodinamica.indb 9 05/08/2015 11:03:19

  • X Sumrio

    5.3.1 Mquina trmica 171

    5.3.2 Ciclo de refrigerao 172

    5.4 Ciclo de Carnot 175

    5.5 Resumo 180

    Problemas Questes prticas FE Exam 181

    Captulo 6 Entropia 187

    6.1 Desigualdade de Clausius 189

    6.2 Entropia 191

    6.3 Variao de entropia em substncias para sistemas 193

    6.3.1 Relaes bsicas 193

    6.3.2 Variao de entropia de um gs ideal com Cp e Cv constante 194

    6.3.3 Variao de entropia de um slido, um lquido e um reservatrio 197

    6.3.4 Variao de entropia de uma substncia com mudana de fase 199

    6.3.5 Variao de entropia de um gs ideal com calores especficos variveis 201

    6.4 Variao de entropia para volume de controle 204

    6.5 Eficincia isentrpica 208

    6.5.1 Eficincia da turbina isentrpica 208

    6.5.2 Eficincia do compressor isentrpico 209

    6.5.3 Eficincia da bomba 210

    6.5.4 Eficincia isentrpica de um bocal 211

    6.6 Exergia (disponibilidade) e irreversibilidade 213

    6.7 Resumo 219

    Problemas Questes prticas FE Exam 221

    Captulo 7 Relaes termodinmicas 231

    7.1 As relaes de Maxwell 232

    7.2 A equao de Clapeyron 235

    7.3 Relaes para energia interna, entalpia, entropia e calores especficos 238

    ERJ_Livro Termodinamica.indb 10 05/08/2015 11:03:19

  • XISumrio

    7.4 O coeficiente de JouleThomson 243

    7.5 Efeitos de gs real 245

    7.6 Resumo 248

    Problemas Questes prticas FE Exam 250

    Parte 2 Aplicaes 255Captulo 8 O ciclo de potncia Rankine 257

    8.1 Energia sustentvel 259

    8.2 O ciclo Rankine 259

    8.2.1 Configurao e componentes bsicos 259

    8.2.2 Aprimoramentos na eficincia do ciclo Rankine 265

    8.3 Ciclos Rankine modificados 269

    8.3.1 O ciclo Rankine com reaquecimento ideal 269

    8.3.2 O ciclo Rankine regenerativo ideal 271

    8.3.3 Um ciclo Rankine ideal regenerativo combinado com reaquecimento 274

    8.4 Ciclos de cogerao 276

    8.5 Perdas nas usinas 279

    8.6 Resumo 281

    Problemas Questes prticas FE Exam 282

    Captulo 9 Ciclos de potncia a gs 291

    9.1 Anlise de ar padro 293

    9.2 Terminologia para motor alternativo 295

    9.3 O ciclo Otto 297

    9.3.1 O ciclo Otto de quatro tempos 297

    9.3.2 Anlise do ciclo Otto 299

    9.3.3 Motor do ciclo Otto de dois tempos 302

    9.3.4 O motor de Wankel 304

    9.4 O ciclo diesel 305

    ERJ_Livro Termodinamica.indb 11 05/08/2015 11:03:19

  • XII Sumrio

    9.5 Outros ciclos de potncia a gs 309

    9.5.1 O ciclo dual 310

    9.5.2 Os ciclos Stirling e Ericsson 312

    9.6 O ciclo Brayton 315

    9.6.1 O ciclo Brayton com aquecimento regenerativo 320

    9.6.2 O ciclo Brayton com regenerao, inter-resfriamento e reaquecimento 322

    9.6.3 O motor turbojato 324

    9.7 O ciclo combinado BraytonRankine 325

    9.8 Resumo 328

    Problemas Questes prticas FE Exam 329

    Captulo 10 Ciclos de refrigerao 337

    10.1 O ciclo de refrigerao por compresso de vapor 338

    10.1.1 Terminologia do ciclo de refrigerao 338