Termodinâmica para Engenheiros

Termodinâmicapara engenheiros

Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

Tradução da 1a edição norte-americana

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Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.


Esta obra apresenta uma introdução à termodinâmica, envolvendo armazena-mento, transferência e transformação de energia. Fornece os conceitos básicos e habilidades para a resolução de problemas que são posteriormente utilizados em mecânica dos � uidos, transferência de calor e no projeto de sistemas termo� uidos.

Formatado para um curso de ciências térmicas para estudantes de engenharia, Termodinâmica para engenheiros concentra-se em fornecer uma visão de como a termodinâmica pode ser usada para explicar exemplos de fenômenos cotidianos. Apresenta muitos exemplos práticos e grande variedade de problemas como tarefa para desenvolver con� gurações e soluções adequadas.

O texto apresenta ainda uma abordagem atualizada e didática e utiliza muitos recursos grá� cos, como fotos, tabelas, ilustrações e � guras para exempli� car com clareza o conteúdo estudado.

APLICAÇÕESObra destinada às disciplinas relacionadas às áreas térmicas, especialmente Termodinâmica I e II, dos cursos de engenharias. Poderá ser utilizado também como bibliogra� a complementar nas disciplinas mais aplicadas, como máqui-nas térmicas, motores de combustão interna, sistemas frigorí� cos, trocadores de calor, máquinas hidráulicas entre outras.



OUTRAS OBRAS

Física para cientistas e engenheiros – Volume 2: Oscilações, ondas e termodinâmica Tradução da 8ª edição norte-americana John W. Jewett, Jr. Raymond A. Serway

Princípios de física – Volume 2: Oscilações, ondas e termodinâmica Tradução da 5ª edição norte-americana Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr.

Princípios de transferência de calor Tradução da 7ª edição norte-americanaFrank KreithRaj M. ManglikMark S. Bohn

TermodinâmicaMerle C. PotterElaine P. Scott

Termodinâm

icapara engenheiros


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



Kenneth A. KroosVillanova University

Merle C. PotterMichigan State University

TraduçãoNoveritis do Brasil

Revisão técnicaFernando Guimarães Aguiar

Professor adjunto no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São Carlos.

Leciona a disciplina Trocadores de Calor.

Edição original em SI adaptada por

Shaligram Tiwari

Indian Institute of Technology Madras

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

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

Sumário

Parte 1 – Conceitos e leis básicas 1Capítulo 1 – Conceitos básicos e sistemas de unidades 31.1 Introdução 5

1.1.1 O que é termodinâmica? 5

1.1.2 Como usamos a termodinâmica? 5

1.1.3 Como os engenheiros utilizam a termodinâmica? 6

1.1.4 Qual é a história da termodinâmica? 6

1.1.5 Qual é o futuro da termodinâmica? 6

1.1.6 Quais são os conceitos e premissas fundamentais? 7

1.1.7 Quais são as fases da matéria? 8

1.2 Dimensões e unidades 9

1.2.1 O sistema SI 9

1.2.2 O sistema inglês 11

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio 12

1.3.1 Propriedades e estado de um sistema 12

1.3.2 Densidade e volume específico 13

1.3.3 Processos e equilíbrio 15

1.4 Pressão 17

1.4.1 O que é pressão? 17

1.4.2 Pressão absoluta e manométrica 17

1.4.3 Unidades de pressão 18

1.4.4 Dispositivos de medição de pressão 18

1.5 Temperatura 21

1.5.1 O que é temperatura? 21

1.5.2 Escalas de temperatura absoluta e relativa 21

1.5.3 Medição de temperatura 23

1.6 Energia 26

1.7 Resumo 27

Problemas Questões práticas FE Exam 29


VIII Sumário

Capítulo 2 – Propriedades de substâncias puras 35

2.1 Fases de uma substância 37

2.1.1 Processo de mudança de fase 38

2.1.2 Título e cálculos de líquido 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 líquidos e sólidos 54

2.2.4 Calor latente 56

2.3 Refrigerantes 56

2.4 Lei do gás ideal 59

2.5 Equações de estado de gás real 60

2.6 Energia interna e entalpia do gás ideal 63

2.7 Calores específicos de líquidose sólidos 68

2.8 Resumo 69


Capítulo 3 – A primeira lei para sistemas 77

3.1 Trabalho 80

3.1.1 Definição e unidades 80

3.1.2 Trabalho devido à pressão 80

3.1.3 Outras formas de trabalho 83

3.2 Transferência de calor 86

3.3 Método de resolução 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 pressão constante 94


IXSumário

3.5.3 Processo a temperatura constante 96

3.5.4 Processo adiabático 97

3.5.5 Processo politrópico 100

3.6 Ciclos 102

3.7 Resumo 103


Capítulo 4 – A primeira lei aplicada aos volumes de controle 115

4.1 A conservação da massa para volumes de controle 118

4.1.1 Informações básicas 118

4.1.2 Equação 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 Câmaras 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 refrigeração 147

4.4.3 Ciclo Brayton 149

4.5 Resumo 151


Capítulo 5 – A segunda lei da termodinâmica 165

5.1 Conceitos da segunda lei 166

5.2 Enunciados da segunda lei da termodinâmica 168

5.2.1 Enunciado de Kelvin-Planck – máquinas térmicas 168

5.2.2 Enunciado de Clausius – refrigeradores 169

5.3 Parâmetros de desempenho de ciclos 171


X Sumário

5.3.1 Máquina térmica 171

5.3.2 Ciclo de refrigeração 172

5.4 Ciclo de Carnot 175

5.5 Resumo 180


Capítulo 6 – Entropia 187

6.1 Desigualdade de Clausius 189

6.2 Entropia 191

6.3 Variação de entropia em substâncias para sistemas 193

6.3.1 Relações básicas 193

6.3.2 Variação de entropia de um gás ideal com Cp e Cv constante 194

6.3.3 Variação de entropia de um sólido, um líquido e um reservatório 197

6.3.4 Variação de entropia de uma substância com mudança de fase 199

6.3.5 Variação de entropia de um gás ideal com calores específicos variáveis 201

6.4 Variação de entropia para volume de controle 204

6.5 Eficiência isentrópica 208

6.5.1 Eficiência da turbina isentrópica 208

6.5.2 Eficiência do compressor isentrópico 209

6.5.3 Eficiência da bomba 210

6.5.4 Eficiência isentrópica de um bocal 211

6.6 Exergia (disponibilidade) e irreversibilidade 213

6.7 Resumo 219


Capítulo 7 – Relações termodinâmicas 231

7.1 As relações de Maxwell 232

7.2 A equação de Clapeyron 235

7.3 Relações para energia interna, entalpia, entropia e calores específicos 238


XISumário

7.4 O coeficiente de Joule–Thomson 243

7.5 Efeitos de gás real 245

7.6 Resumo 248


Parte 2 – Aplicações 255Capítulo 8 – O ciclo de potência Rankine 257

8.1 Energia sustentável 259

8.2 O ciclo Rankine 259

8.2.1 Configuração e componentes básicos 259

8.2.2 Aprimoramentos na eficiência 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 cogeração 276

8.5 Perdas nas usinas 279

8.6 Resumo 281


Capítulo 9 – Ciclos de potência a gás 291

9.1 Análise de ar padrão 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 Análise 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


XII Sumário

9.5 Outros ciclos de potência a gás 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 regeneração, inter-resfriamento e reaquecimento 322

9.6.3 O motor turbojato 324

9.7 O ciclo combinado Brayton–Rankine 325

9.8 Resumo 328


Capítulo 10 – Ciclos de refrigeração 337

10.1 O ciclo de refrigeração por compressão de vapor 338

10.1.1 Terminologia do ciclo de refrigeração 338

10.1.2 O ciclo de refrigeração ideal 340

10.1.3 Um ciclo de refrigeração real 342

10.1.4 Bombas de calor 343

10.1.5 Refrigerantes 345

10.2 Sistemas de refrigeração em cascata 346

10.3 Refrigeração por absorção 348

10.4 Sistemas de refrigeração a gás 349

10.5 Resumo 351


Capítulo 11 – Misturas e psicrometria 357

11.1 Misturas de gás 359

11.1.1 Definições e terminologia 359

11.1.2 As leis de Amagat e de Dalton 361

11.2 Misturas de ar-vapor e psicrometria 365

11.2.1 Terminologia e definições 366


XIIISumário

11.2.2 Temperatura de saturação adiabática 368

11.2.3 Psicrometria 370

11.3 Processos de ar-condicionado 373

11.4 Resumo 380


Capítulo 12 – Combustão 389

12.1 Introdução 391

12.2 Reações de combustão 392

12.3 A entalpia de formação e a entalpia de combustão 399

12.4 Temperatura de chama 407

12.5 Reações de equilíbrio 412

12.6 Resumo 415


Parte 3 – Tópicos contemporâneos 423Capítulo 13 – Conversão de energia alternativa 425

13.1 Biocombustíveis 426

13.1.1 Etanol 427

13.1.2 Biodiesel 427

13.1.3 Combustível de algas 430

13.2 Energia solar 430

13.2.1 Células fotovoltaicas 430

13.2.2 Aquecimento solar ativo 431

13.2.3 Aquecimento solar passivo 433

13.3 Células de combustível 433

13.4 Geradores termoelétricos 435

13.5 Energia geotérmica 436

13.6 Energia eólica 437


XIV Sumário

13.7 Energia hidrelétrica e do oceano 43813.7.1 Energia das ondas 438

13.7.2 Conversão de energia térmica do oceano 439

13.7.3 Energia hidrelétrica 440

13.8 Geração de energia osmótica 442

13.9 Resumo 442


Capítulo 14 – Termodinâmica de organismos vivos 445

14.1 Conversão de energia em plantas 447

14.2 Conversão de energia em animais 449

14.3 Geração de trabalho biológico 452

14.4 Regulação da temperatura em sistemas biológicos 45214.4.1 Organismos endotérmicos 453

14.4.2 Organismo ectotérmico 453

14.4.3 Regulação da temperatura em plantas 454

14.5 Resumo 454


Apêndice A Conversões de unidades 459

Apêndice B Propriedades dos materiais 461

Apêndice C Tabelas de vapor 469

Apêndice D Propriedades do R134a 481

Apêndice E Propriedades da amônia 489

Apêndice F Tabelas de gás ideal 493

Apêndice G Gráficos psicrométricos 501

Apêndice H Gráficos de compressibilidade 503

Apêndice I Gráficos de desvio de entalpia 505

Apêndice J Gráficos de desvio de entropia 507

Respostas para problemas selecionados 509

Índice 517


Lista de nomenclaturama Massa de ar secomf Massa de líquidomf A massa finalmg Massa de vapormi A massa inicialmv Massa de vapor de água contida no arm⋅ Vazão mássica (fluxo de massa)N Uma função geralM Massa molarMi Massa molar da substânciami Massa do componente i de uma substânciaPME Pressão média efetivan A constanteM Uma função geralN Quantidade de molsNi Quantidade de mols do componente iP PressãoPa Pressão parcial do ar secoPcr Pressão do ponto críticoPf A pressão finalPi Pressão parcial do componente iPi A pressão inicialPr Pressão relativaPR Pressão reduzidaPv Pressão parcial do vapor de águaEP Energia potencialq Transferência de calor específicaQ Transferência de calorQA Transferência de calor de um reservatório

de alta temperaturaQB Transferência de calor de um reservatório

de baixa temperaturaQ⋅ Taxa de transferência de calor

Q⋅C Taxa de transferência de calor na caldeira

Q⋅C, Q

⋅Cond Taxa de transferência de calor no condensador

Q⋅Evap Taxa de transferência de calor no evaporador

r Taxa de compressãor Raiorc Taxa de corterp Relação de pressãoR Constante do gásR Resistividade elétricaR Fator RRu Constante universal de gáss Entropia específicas Entropia específica por mols° Uma função de entropiaS EntropiaGE Gravidade específicaSger Entropia geradaSviz Entropia da vizinhançaS⋅prod Produção de entropia

t Tempo

a Constante,a Aceleração,a Função de HelmholtzA0, ConstanteAC Razão de massa ar/combustívelB Módulo volumétricoPMI Ponto morto inferiorBWR Razão de trabalho reversoC Calor específico,C Uma constantec Velocidade da luzCOPBC Coeficiente de performance de uma

bomba de calorCOPR Coeficiente de performance de um refrigeradorCp Calor específico a pressão constanteCv Calor específico a pressão constantedEv.c./dt Variação da energia por unidade de tempods Segmento de comprimento diferencialf Uma função representativaF ForçaF Vetor de forçaCA Razão de massa combustível/arFn Componente normal de uma forçaG Função de Gibbsg Gravidadeg Função de Gibbsgc Constante gravitacionalh Entalpia específicah Alturah Constante de Planckh° Entalpia no estado de referênciahf Entalpia de formação

hfg Entalpia de vaporizaçãohc Coeficiente de transferência de calor

por convecçãoH EntalpiaHp, HP Entalpia dos produtos

HR, HR Entalpia dos reagentesPCS Poder calorífico superiori Correntei Irreversibilidade por unidade de massaI Irreversibilidadek Razão de calores específicosk Condutividade térmicakga Um quilograma de arkgw Um quilograma de águakgv Um quilograma de vaporK Constante da molaKp Constante de equilíbrioEC Energia cinéticaL EspessuraPCI Poder calorífico inferiorm Massa


XVI Lista de nomenclatura

T Temperatura, TorqueT0 Temperatura do estado mortoTcr Temperatura do ponto críticoTdb Temperatura de bulbo secoTdp Temperatura de condensaçãoTf A temperatura finalTA Temperatura de um reservatório

de alta temperaturaTi A temperatura inicialTL Temperatura de um reservatório de baixa

temperaturaTR Temperatura reduzidaTwb Temperatura de bulbo úmidoPMS Ponto morto superioru Energia interna específicaU Energia internaUP, UP Energia interna dos produtosUR, UR Energia interna dos reagentesv Volume específicov Volume molar específicovf Volume do líquidovg Volume do vaporvr Volume relativo específicovR Volume específico pseudorreduzidoѴ VelocidadeV VolumeV TensãoV⋅ vazão volumétrica (taxa de fluxo)

w Trabalho por unidade de massaws Trabalho de eixo por unidade de massaW TrabalhoW⋅ Taxa de trabalho

W⋅C Taxa de trabalho do compressor

W⋅Comp Taxa de trabalho do compressor

W⋅T Taxa de trabalho da turbina

Ws Trabalho do eixoWa Trabalho realx Títuloxi A fração de massa de um componenteyi A fração molarz ElevaçãoZ Fator de compressibilidadeDSger Entropia geradaDSlíq Variação líquida de entropiaDSuniv Variação de entropia no universob Uma constante característicab Expansividade de volumed Significa um diferencial inexato« Emissividade« Fator de utilizaçãoh EficiênciahII Eficiência da segunda leimJ Coeficiente de Joule-Thomsonn Coeficiente estequiométricon Frequência de luzr Densidaderx Densidade de uma substância desconhecidas Constante de Stefan-Boltzmannt Tensão de cisalhamentof Razão de equivalência,f Umidade relativaC Uma propriedade especialc Exergia por unidade de massac Uma propriedade especialv Umidade específica (razão de umidade)


PrefácioA motivação para escrevermos este texto sobre termodinâmica deveu-se à quantidade de volumes que outros livros sobre o tema apresentavam. Detalhes sobre assuntos tangenciais dificultaram na introdução do tema para alunos iniciantes de engenharia. É desafiante para um estudante saber o que é importante e o que não deve ser considerado. Tentamos oferecer uma introdução ao assunto, com foco no que é essencial, incluindo apenas o que é necessário para fornecer uma visão de como a termodinâmica pode ser usada para explicar exemplos de fenômenos cotidianos.

A termodinâmica, envolvendo armazenamento, transferência e transformação de energia, é o primeiro cur-so em ciências térmicas para estudantes de engenharia. Essa abordagem fornece a base para os conceitos básicos e habilidades para a resolução de problemas posteriormente utilizados em mecânica dos fluidos, transferência de calor e no projeto de sistemas termofluidos. Este livro será útil para desenvolver as habilidades essenciais em termodinâmica, principalmente em cursos de um semestre ou dois. O texto foi elaborado para proporcionar substancial compreensão dos princípios, terminologia e metodologia do assunto por completo.

A linguagem da termodinâmica é explicada em detalhes para que os alunos possam entender rapidamente os conceitos e as técnicas de análise utilizadas. O uso extensivo de exemplos práticos demonstra a configuração e a so-lução adequada de problemas. Essas habilidades, então, são desenvolvidas através de grande variedade de exercícios, com um grau crescente de complexidade, permitindo a solução dos problemas básicos e de alguns mais complexos.

A estrutura do livro foi desenvolvida para ser um apoio a um curso básico de termodinâmica ou a base de uma sequência de dois semestres dos conceitos básicos e aplicações. O texto divide-se em três partes. Na Parte I, Conceitos e leis básicas, são apresentados, explicados e ilustrados a terminologia, conceitos e leis básicas empre-gadas na área de termodinâmica. Na Parte II, Aplicações, são abordados os ciclos de energia e refrigeração em detalhes, juntamente com uma introdução às misturas, psicrometria e combustão. Na Parte III, Tópicos contem-porâneos, são apresentadas fontes alternativas de energia e termodinâmica dos organismos vivos.

A Parte I inclui as propriedades termodinâmicas dos materiais e como são usados na solução de problemas de engenharia. A ênfase está em fluidos de trabalho comuns utilizados na indústria, além de ar e água. É dada especial atenção ao uso de procedimento estruturado de resolução de problemas, que constitui na organização da informação fornecida para o desenvolvimento de solução adequada. Esse procedimento é enfatizado em di-versos exemplos no texto e destina-se a desenvolver boas habilidades aos estudantes na solução de problemas. Os tópicos discutidos incluem as propriedades das substâncias, a primeira lei da termodinâmica, integrais de trabalho, dispositivos de engenharia, a segunda lei da termodinâmica e os efeitos de gases não ideais.

A Parte II aplica os princípios termodinâmicos em uma série de dispositivos e ciclos de engenharia. Se de-sejado, os tópicos selecionados nessa parte podem ser incluídos em um primeiro curso. Nessa parte, também se analisam usinas de energia, motores de combustão, sistemas de refrigeração, psicrometria e combustão, funda-mental para os cursos posteriores em conversão de energia, motores e AVAC.

Na Parte III, o foco dirige-se à energia alternativa. O uso do combustível fóssil não será sustentável ao longo dos próximos séculos. Portanto, fontes sustentáveis de energia serão necessárias. Apresentamos diversas dessas fontes de energia. Por fim, analisa-se a termodinâmica dos organismos vivos.

Nas tabelas , na seção Apêndices , estão incluídas propriedades de uma série de substâncias. A interpolação, procedimento que demanda tempo, é muitas vezes necessária para determinar as propriedades requeridas. Para evitarmos muitas interpolações, incluímos as etapas necessárias para o uso da Calculadora de Propriedades de Fluidos IRC, introduzida no Capítulo 2, a qual proporciona o método mais eficiente para determinar rapidamen-te as propriedades dos materiais de várias substâncias encontradas com frequência. O leitor utilizará bastante essa ferramenta da internet, oficialmente conhecida como Calculadora de propriedades dos fluidos IRC (2012), desenvolvida e mantida pela Industrial Refrigeration Consortium da Universidade de Wisconsin-Madison.

A termodinâmica é um dos primeiros cursos de resolução de problemas nos currículos de engenharia mecâ-nica ou química. É também o alicerce para o campo das ciências térmicas. Estudantes aprendem como a transfe-rência de energia para ou a partir de uma substância pode alterar as propriedades básicas da substância. É igual-mente importante para que desenvolvam habilidades na interpretação de descrições físicas, enquanto resolvem problemas práticos de interesse na engenharia.

Supõe-se que os leitores tenham concluído cursos de cálculo integral e diferencial, embora a álgebra seja a ferramenta matemática principal para resolver a maioria dos problemas em termodinâmica. Algumas das deriva-ções exigem alguns conceitos de cálculo.


XVIII Prefácio

O material introdutório incluído na Parte I, Capítulos 1 a 7, foi selecionado cuidadosamente para apresentar aos alunos as áreas fundamentais da termodinâmica. Não é necessária a abordagem de todo o material em cada capítulo para um curso introdutório. O professor pode adaptar este material ao seu curso. Uma seção ou duas no final de vários capítulos podem ser omitidas sem prejuízo na continuidade dos próximos capítulos. Após o texto introdutório, há conteúdo suficiente para um curso adicional, que poderia incluir o material omitido nos Capítu-los 1 a 7 e seções selecionadas dos Capítulos 8 a 14.

Incluímos exemplos detalhados para ilustrar cada conceito importante apresentado. Inúmeros problemas para resolver, muitos com várias partes para melhores tarefas, proporcionam ao aluno a oportunidade de obter experiência resolvendo os exercícios de vários níveis de dificuldade. Espera-se que todas as partes dos problemas com as indicações i), ii), iii) etc. sejam trabalhadas. Espera-se, porém, que somente a parte selecionada será atri-buída nos problemas com indicações de letras minúsculas em itálico [por exemplo, a), b) e c)]. As respostas desses exercícios são apresentadas ao final do livro.

Depois de estudar o conteúdo do livro, a análise dos exemplos e a prática em vários exercícios, os alunos devem ter a capacidade necessária para trabalhar em muitos dos problemas encontrados em situações reais de engenharia em cada tópico apresentado. Com certeza, existem questões difíceis de resolver, mesmo para um téc-nico experiente. Para tanto, o engenheiro deve buscar mais informações além das indicadas neste texto introdu-tório. Há, no entanto, inúmeros problemas de interesse para o profissional que podem ser resolvidos com sucesso utilizando o material e conceitos aqui apresentados.

Este livro traz a Trilha, uma solução digital com alternativas de estudo para os alunos e recursos para o professor utilizar em sala de aula. Os alunos terão acesso a atividades com as quais poderão rever e estudar conceitos e definições, bem como verificar seu aprendizado. Para o professor, estão disponíveis slides em PowerPoint® que poderão auxiliá-lo em sala de aula, além do manual do professor. O manual do professor está disponível em in-glês. Acesse o link http://cursosonline.cengage.com.br.

AgradecimentosOs autores são muito gratos tanto a seus professores quanto a seus colegas. Rickey Caldwell revisou todo o

texto e fez numerosas edições úteis. Gostaríamos também de agradecer aos nossos colaboradores que ajudaram imensamente para chegar ao manuscrito final. São eles:

Mahesh Chand Aggarwal, Gannon UniversityWilliam Bathie, Iowa State UniversityCarlos F. M. Coimbra, University of California, San DiegoS. Mostafa, Ghiaasian, Georgia Institute of TechnologyPei-feng Hsu, Florida Institute of TechnologyMelina Keller, California Polytechnic University, San Luis ObispoJohn Kramlich, University of WashingtonEdward Lumsdaine, Michigan Technological UniversitySameer Naik, Purdue University, West LafayetteThan Ke Nguyen, California State University, PomonaSteven G. Penoncello, University of IdahoLaura Schaefer, University of PittsburghElisa Toulson, Michigan State University

KENNETH KROOSMERLE C. POTTER

A metrificação deste texto foi feita por Shaligram Tiwari, Indian Institute of Technology Madras.


Sobre os autoresKenneth A. KroosFormação: Bacharel em Física: University of Toledo

Mestrado em Engenharia Mecânica: University of Toledo Ph.D. em Fenômenos de Transporte Biológico e Químico: University of Toledo

Experiência:

■ Lecionou na Christian Brothers College e na Villanova University

■ Atuou como conselheiro do Grêmio Estudantil e presidente do Memphis - Seção Meio-Sul da Sociedade Norte-Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME, American Society of Mechanical Engineers)

■ Lecionou termodinâmica, mecânica dos fluidos e vários outros cursos

■ Autor de numerosas publicações nas áreas de mecânica dos fluidos, transferência de calor, ensino de enge-nharia e computação gráfica para visualização do fluxo

■ Membro da ASME e membro da Sociedade Americana de Educação em Engenharia. Recebeu o Prêmio de Serviço dedicado à ASME

■ Atuou como vice-presidente da ASME em 2001 e exerceu mandato de três anos no Conselho dos Assuntos de Membros.

Merle C. PotterFormação: Bacharel em Engenharia Mecânica: Michigan Technological University

Mestrado em Mecânica de Engenharia: Michigan Technological University Mestrado em Engenharia Aeroespacial: University of Michigan ph.D. em Mecânica de Engenharia: University of Michigan

Experiência:

■ Lecionou em Michigan Tech, na Michigan University e na Michigan State University

■ Atuou como Conselheiro do Grêmio Estudantil da ASME

■ Autor e coautor de 35 livros, auxiliou em livros e revisou exames de livros

■ Realizou pesquisa em mecânica dos fluidos e conservação de energia

■ Recebeu inúmeros prêmios, que incluem:

Teacher-Scholar Award

ASME Centennial Award

Membro da Academia de Engenharia Mecânica James Harry Potter

Medalha de ouro do Michigan Tech (Termodinâmica-ASME)

■ Ministrou cursos sobre os temas de mecânica, ciências térmicas e matemática aplicada


Parte 1

Conceitos e leis básicas

Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades

Capítulo 2 Propriedades de substâncias puras

Capítulo 3 A primeira lei para sistemas

Capítulo 4 A primeira lei aplicada a volumes de controle

Capítulo 5 A segunda lei da termodinâmica

Capítulo 6 Entropia

Capítulo 7 Relações termodinâmicas


Na Parte I, são apresentados, explicados e ilustrados a terminologia, os conceitos e as leis básicas utilizadas no estudo da termodinâmica. Pelo menos um problema de exemplo demonstrará a aplicação de cada conceito introduzido, e numerosos

problemas práticos no fi nal de cada capítulo permitirão que os alunos reforcem a infor-mação apresentada. Esses conceitos e leis básicas serão aplicados a dispositivos de inte-resse para engenheiros; os dispositivos serão organizados em vários ciclos de potências e de refrigeração simples. Na Parte II, Aplicações, os ciclos de energia e refrigeração serão estudados em detalhes, junto com uma introdução à psicrometria e combustão. Na Parte III, Tópicos Contemporâneos, serão apresentadas fontes alternativas de energia e termodinâmica dos organismos vivos.


1Conceitos básicos e sistemas de unidades

Visão geral

1.1 Introdução 51.1.1 O que é termodinâmica? 51.1.2 Como usamos a termodinâmica? 51.1.3 Como os engenheiros utilizam a

termodinâmica? 61.1.4 Qual é a história da termodinâmica? 61.1.5 Qual é o futuro da termodinâmica? 61.1.6 Quais são os conceitos e premissas

fundamentais? 71.1.7 Quais são as fases da matéria? 8

1.2 Dimensões e unidades 91.2.1 O sistema SI 91.2.2 O sistema inglês 11

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio 121.3.1 Propriedades e estado de um sistema 121.3.2 Densidade e volume específi co 131.3.3 Processos e equilíbrio 15

1.4 Pressão 171.4.1 O que é pressão? 171.4.2 Pressão absoluta e manométrica 171.4.3 Unidades de pressão 181.4.4 Dispositivos de medição de pressão 18

1.5 Temperatura 211.5.1 O que é temperatura? 211.5.2 Escalas de temperatura absoluta e relativa 211.5.3 Medição de temperatura 23

1.6 Energia 26

1.7 Resumo 27



a Aceleraçãof Uma função representativaF ForçaFn Componente normal de uma forçag Gravidadegc Constante gravitacionalh AlturaEC Energia cinéticam MassaP PressãoEP Energia potencialR Resistência elétrica

GE Gravidade específicaT TemperaturaU Energia internaV VolumeѴ Velocidadev Volume específicoz ElevaçãoaT Coeficiente de expansão térmicab Uma constante característicad Significa um diferencial inexator Densidaderx Densidade de uma substância desconhecida

Nomenclatura

A nomenclatura a seguir é apresentada neste capítulo:

Resultados da aprendizagem

❏ Compreender os conceitos básicos da termodinâmica

❏ Entender as quantidades básicas em termodinâmica

❏ Trabalhar com sistemas de unidades SI e Inglês

❏ Familiarizar-se com as propriedades básicas

Exemplo motivacional – Uma sonda perdida

Em 23 de setembro de 1999, a NASA instruiu a Sonda Climática de Marte (MCO, Mars Climate Orbiter) para realizar uma arremetida que iria colocá-la em órbita em torno de Marte. O objetivo do satélite era monitorar as condições na atmos-fera de Marte por um longo período. As medições deveriam ser realizadas para estudar as condições meteorológicas diárias, o perfil da temperatura atmosférica e o vapor de água, e a quantidade de poeira na atmosfera marciana. Pouco de-pois que foi dado o comando para a inserção orbital, a NASA perdeu o contato com a sonda. Descobriu-se posteriormente que a sonda caiu em decorrência de um erro no cálculo do empuxo. O projeto requeria um impulso do propulsor para enviar a sonda até a órbita de Marte. Em virtude de uma confusão nas unidades entre libras de empuxo e newtons de empuxo, a órbita adequada não foi atingida e sonda mergulhou no planeta. O uso apropriado de unidades deve ser compreendido.

Marte

Sonda


Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades 5

1.1 Introdução1.1.1 O que é termodinâmica?A termodinâmica é uma palavra que a maioria das pessoas acha difícil de compreen-der. Ela é fundamentada em leis básicas da física que são muito simples de se apre-sentar e aplicar, embora algumas palavras incomuns de propriedades físicas sejam utilizadas, tais como entalpia e exergia. Um dos propósitos deste livro será definir essas palavras de uma forma que dê o seu significado real e mostre como elas são utilizadas pelos engenheiros.

A termodinâmica envolve o armazenamento, a transferência e a transforma-ção de energia. A energia pode ser adicionada a uma massa ou retirada dela. Isto é conseguido por meio de vários processos físicos que estudaremos em profundidade neste livro. Por exemplo, quando se queima gasolina em um motor automotivo, o calor gerado pela combustão da mistura de ar e combustível em um cilindro au-menta drasticamente a pressão e a temperatura dentro do cilindro. A alta pressão é utilizada para empurrar um pistão dentro do cilindro, o qual leva à produção de potência. Este exemplo demonstra dois tipos de processos termodinâmicos. Primei-ro, a energia química contida na gasolina é liberada na forma de calor quando a gasolina dispersa no ar sofre combustão. Em segundo lugar, a alta pressão move o pistão, assim, realizando trabalho. A transferência de calor e o trabalho, que serão cuidadosamente definidos no contexto da termodinâmica no Capítulo 3, são as duas formas mais importantes pelas quais a energia é transferida por meio de processos de interesse em nosso estudo.

Outro exemplo da transformação de energia é o processo de fotossíntese das plantas, descrito mais detalhadamente no Capítulo 14. A energia da luz do Sol é ab-sorvida pela clorofila nas folhas das plantas para fabricar os açúcares usados como alimento para as plantas. Exemplo semelhante é a utilização de uma célula solar fotovoltaica, apresentada no Capítulo 13, a qual transforma a energia da luz solar em eletricidade.

Em todos esses exemplos, a energia é utilizada para produzir um resultado dese-jável. Mas a energia nem sempre aumenta as temperaturas; ela pode ser usada para diminuir as temperaturas, como em sistemas de refrigeração. Quando você pensar em termodinâmica, pense em energia.

Termodinâmica é o primeiro de uma série de assuntos que constituem as ciên-cias térmicas. Ela é geralmente acompanhada de cursos de mecânica dos fluidos e de transferência de calor. Em alguns currículos, esses cursos são acompanhados de uma aula de projeto abrangente em sistemas fluido-térmicos que integram os três temas em uma experiência orientada a projetos. Podem acompanhar cursos eletivos sobre conversão de energia, projetos de motores, projetos de usinas de energia e de propulsão.

1.1.2 Como usamos a termodinâmica?Toda vez que energia é armazenada, transferida ou transformada de uma forma de energia para outra, estamos aplicando a termodinâmica. A termodinâmica é funda-mental no projeto de sistemas de potência convencionais, tanto de grande quanto de pequeno porte. Nessas usinas que queimam combustíveis fósseis ou utilizam energia nuclear, a energia na forma de calor é convertida em energia na forma de trabalho, transformando a água em vapor e usando esse vapor para acionar turbinas, as quais, por sua vez, transformam energia mecânica em energia elétrica utilizando geradores. Os engenheiros elétricos assumem a responsabilidade pela energia depois que ela passa das turbinas para os geradores.

A termodinâmica é usada no projeto de motores que vão desde pequenos mo-tores que alimentam um aeromodelo até motores de automóveis, motores a jato

Termodinâmica: O armazenamento, transferência e transformação de energia.

Alta pressão após

a combustão

Pistão

P

A termodinâmica é fundamental no projeto de sistemas de potência convencionais.

Comentário

Água

Chama

Turbina

PotênciaVapor


6 Parte 1 Conceitos e leis básicas

e motores maiores que alimentam navios. Ela também é utilizada para analisar a energia alternativa em usinas hidrelétricas, usinas eólicas e geradores de energia so-lar. A termodinâmica encontra aplicação na análise de uma infinidade de processos industriais que geram produtos químicos, medicamentos e alimentos. Ela também fornece uma visão geral de como a natureza converte a energia dos alimentos em energia nos animais. A termodinâmica também pode ser utilizada para compreender como a energia solar é convertida em nutrição para a vida das plantas.

1.1.3 Como os engenheiros utilizam a termodinâmica?A termodinâmica é utilizada por engenheiros que trabalham em grande variedade de áreas, principalmente por engenheiros mecânicos e químicos. Os engenheiros me-cânicos são responsáveis pelo projeto, construção e operação de grandes usinas de energia. Eles também projetam motores utilizados em carros, barcos, aviões e navios. Ambos os engenheiros aplicam a termodinâmica no projeto de processos de fabrica-ção para produzir produtos de consumo, farmacêuticos e alimentícios. Os engenhei-ros, utilizando a termodinâmica, estão desenvolvendo novas fontes de energia para substituir os combustíveis fósseis, que são a principal fonte de poluentes. Eles estão trabalhando nas áreas de energia eólica, hídrica, biocombustíveis, geração de hidro-gênio e energia solar, para citar alguns, na tentativa de, eventualmente, desenvolver um sistema de energia sustentável.

1.1.4 Qual é a história da termodinâmica?Os seres humanos têm interesse em termodinâmica desde que a nossa espécie uti-lizou o fogo para se aquecer e cozinhar alimentos. A partir de aproximadamente 3.000 a.C. a 500 a.C., os cientistas egípcios e, em seguida, os gregos, especularam que a energia do calor era um fluido que eles chamaram de flogisto. O fogo foi um dos elementos básicos da natureza, junto com a terra, o vento e a água. Por volta de 500 a.C., os cientistas gregos estavam debatendo se um vácuo poderia existir ou ser criado. Depois de centenas de anos, os séculos XVII e XVIII viram a transformação da magia primitiva da alquimia para o tema da termoquímica. Nesse período, foram desenvolvidas muitas dessas primeiras leis científicas prevendo como os gases se comportavam. Uma lei é desenvolvida a partir da observação direta e tem restrições rigorosas. Em 1662, foi publicada a lei de Boyle, um caso especial da lei do gás ideal. Em 1802, foram publicadas tanto a lei de Charles como a lei de Guy-Lussac, sendo ambas relacionadas com a lei do gás ideal.

O primeiro motor, movido a vapor, foi patenteado em 1769 por James Watt. Em 1824, Sadi Carnot publicou seu trabalho sobre a equivalência de trabalho e calor. Por esse trabalho, ele é conhecido como o “pai da termodinâmica”. A revolução in-dustrial trouxe grandes mudanças na engenharia e na sociedade. Produtos que antes eram feitos em indústrias “caseiras”, como lojas de ferreiros, agora eram fabricados em grandes instalações industriais. Um dos efeitos colaterais desse crescimento in-dustrial foi a necessidade de engenheiros mecânicos que conseguissem projetar e operar os sistemas de potência necessários para alimentar as fábricas.

1.1.5 Qual é o futuro da termodinâmica?Um dos principais problemas que enfrentamos hoje é a disponibilidade cada vez menor de energia utilizável. No século XIX e início do século XX, a energia era prontamente disponível, abundante e barata. A indústria era capaz de prosperar e se expandir, porque as fontes de energia eram abundantes. Hoje, este cenário está mudando. Sabemos que nossas fontes de combustíveis fósseis, especialmente o car-vão, o petróleo e o gás natural, são limitadas, e que ficaremos sem elas algum dia.

Newton

Lei: Desenvolvida a partir da observação direta sob

restrições rigorosas.



Fontes alternativas de energia, como a energia solar, energia eólica e o hidrogê-nio, estão sendo desenvolvidas, mas estão longe de poder substituir os combustíveis fósseis. A energia nuclear é outra fonte de energia, mas a preocupação pública em relação a vazamentos de radiação e como eliminar os “resíduos” desacelerou essa indústria até chegar a uma paralisação nas últimas décadas. Além disso, os aciden-tes de Chernobyl, Three Mile Island e do Japão têm levantado sérias preocupações sobre a segurança dos reatores nucleares. Como a energia nuclear produz pouco ou nenhum CO2, e a preocupação pública quanto à sua segurança está se tornando me-nos problemática, ela está recuperando o interesse nos Estados Unidos. A energia nuclear vem aumentando continuamente em outras partes do mundo. A França e o Japão respondem por mais de 50% da capacidade de geração de energia nuclear no mundo, embora venham diminuindo por causa de recentes acidentes relacionados a terremotos e outros desastres naturais. São necessárias salvaguardas mais eficazes.

O estudo de como os processos e nosso estilo de vida afetam a disponibilidade em longo prazo dos recursos naturais necessários para realizar os processos e sus-tentar nosso estilo de vida é chamado sustentabilidade. Quando analisamos nossa energia, água, alimentos e recursos minerais, temos de considerar os efeitos de longo prazo do nosso consumo desses recursos. As futuras gerações devem ser capazes de atender às suas necessidades. Ainda hoje, muitas comunidades em todo o mundo so-frem de grave falta de água potável e lenha disponível; elas vivem um estilo de vida insustentável. Tentaremos incluir a sustentabilidade em vários capítulos deste livro.

1.1.6 Quais são os conceitos e premissas fundamentais?

O termo termodinâmica é inapropriado, uma vez que “dinâmica” sugere movimento. Mesmo que o processo de adição ou remoção de energia de uma substância seja, por definição, um processo dinâmico, não estaremos interessados nas etapas instantâneas necessárias para mudar de um estado inicial para um estado final. Em vez disso, va-mos considerar os retratos “instantâneos” do estado de um sistema antes e depois de um processo ocorrido. As propriedades de um estado estável serão definidas antes do processo, e essas mesmas propriedades serão identificadas no final do processo. Este exercício produzirá as imagens do “antes” e “depois” do sistema, mas não de-talhará o que está acontecendo durante o processo de transferência de energia. O objetivo do problema será determinar o estado final, dado o estado inicial. Espe-cificaremos o estado inicial e descreveremos o processo que ocorre. A partir dessa informação, resolveremos então o estado final. Ocasionalmente, o estado final será identificado e o estado inicial será solicitado.

Um sistema é definido como uma massa fixa que ocupa um espaço, um espaço que pode ou não mudar de volume ou forma. A massa de um sistema, tal como o hélio em um balão de hélio, não se altera. Então, analisamos como um sistema par-ticular muda conforme a energia é adicionada ou removida. As vizinhanças incluem tudo o que seja externo ao sistema. Se o sistema não troca energia com a vizinhança, então, é um sistema isolado.

Em muitas situações, não é razoável focar a atenção em uma massa fixa; em vez disso, o foco deve ser em um volume fixo dentro do qual e/ou a partir do qual um fluido pode escoar, tal como uma bomba, uma turbina ou um tanque de propano se esvaziando. Esse volume é chamado volume de controle, e a superfície que circunda o volume de controle é a superfície de controle. A vizinhança inclui, assim, tudo o que seja externo ao volume de controle. A forma que as equações básicas em termo-dinâmica levam para um sistema difere daquelas do volume de controle, por isso é importante saber o que está sendo analisado.

Existem duas abordagens para o estudo da termodinâmica. A termodinâmica clássica é uma abordagem macroscópica, ou global, em que assumimos que uma substância é um contínuo, no sentido de que ocupa todos os pontos em uma região

Perguntas: A energia nuclear estará presente mais uma vez no nosso futuro? Ela é segura? Será que a falha de contenção no Japão em 2011 a elimina como uma fonte de energia segura?

Sustentabilidade: A capacidade de resistência.

Sistema: Uma quantidade de massa fixa e identificada.

Vizinhanças: Tudo que seja externo ao sistema.

Sistema isolado: Um sistema que não troca energia com a vizinhança.

Volume de controle: Um volume fixo dentro do qual e/ou a partir do qual um fluido escoa.

Superfície de controle: A superfície que envolve o volume de controle.

Contínuo: Uma substância ocupa todos os pontos em uma região de interesse.



de interesse. Há cerca de 3 3 1016 moléculas em um milímetro cúbico de ar ao nível do mar, por isso, a suposição de que o ar ocupa todos os pontos em um volume é bastante razoável quando se considera os problemas de interesse. As propriedades de uma quantidade finita de matéria, o sistema, são tratadas como propriedades es-pacialmente médias. Por exemplo, quando você está em um quarto, pensa em termos da temperatura ambiente ou pressão. Esta é uma temperatura ou pressão média em toda a sala, em oposição às propriedades medidas em vários pontos do quarto.

Outra abordagem para a termodinâmica é encontrada na termodinâmica esta-tística, em que os movimentos de moléculas são analisados utilizando-se métodos estatísticos para prever como uma substância vai reagir à adição ou subtração de energia. A mecânica estatística relaciona a atividade molecular às quantidades ter-modinâmicas macroscópicas. As propriedades de materiais dispersos estão relacio-nadas com os dados espectroscópicos de moléculas individuais. A termodinâmica estatística é um assunto especializado oferecido tanto em graduação eletiva como em cursos de pós-graduação. Neste livro, o movimento das moléculas individuais não será de interesse.

Uma usina de energia.PD

-USG

OV

Nesta introdução à termodinâmica, utilizaremos os conceitos e a metodologia da termodinâmica clássica para resolver os problemas encontrados em sistemas de engenharia comuns. Apesar de a simplificação de hipóteses ser feita sobre os siste-mas analisados, a termodinâmica clássica é uma ferramenta muito poderosa na com-preensão e projeção dos inúmeros dispositivos utilizados na produção de energia, como em motores, sistemas de potência e geladeiras.

1.1.7 Quais são as fases da matéria?Em termodinâmica estudamos as três fases básicas, ou estados, da matéria: a fase sólida, a fase líquida e a fase gasosa. Um sólido não flui para assumir a forma de seu recipiente nem se expande para preencher todo o volume disponível. As mo-léculas sólidas podem se deslocar relativamente umas às outras quando sujeitas a uma tensão, mas elas não se movem continuamente ou de forma independente com relação a moléculas vizinhas. Um líquido flui para assumir a forma de seu recipiente, mas não se expande para preencher todo o volume disponível, enquanto um gás se expande para preencher todo o volume disponível. Os líquidos e os gases se mo-vem independentemente quando sujeitos a uma tensão. Na verdade, eles se movem continuamente enquanto a tensão é aplicada. Em termodinâmica, a água é um bom exemplo das três fases: gelo (sólida), líquida e vapor (gasosa). Cursos de mecânica dos fluidos lidam extensivamente com a análise do movimento de líquidos e gases.

Você atingiu o resultado da aprendizagem (1)

Observação: Há cerca de 3 3 1016 moléculas

em um milímetro cúbico de ar. A hipótese de

um contínuo é bastante razoável para todas as

substâncias de interesse consideradas neste livro.

Sólido: Não assume a forma de seu recipiente.

Líquido: Assume a forma de seu recipiente, mas não se expande para preencher todo o volume disponível.

Gás: Preenche todo o volume disponível. Suas

moléculas são relativamente distantes.



1.2 Dimensões e unidadesÉ muito fácil confundir dimensões de uma quantidade com as unidades usadas para medir essas dimensões. As dimensões são usadas para descrever uma quantidade, ao passo que as unidades fornecem a magnitude destas dimensões. Existem dois tipos de di-mensões, primárias (ou fundamentais) e derivadas. As dimensões primárias são: massa, comprimento, tempo e temperatura (força, comprimento, tempo e temperatura pode-riam ter sido selecionados). Outras dimensões que descrevem propriedades elétricas e magnéticas também podem ser incluídas em uma lista de dimensões primárias, mas estas não são de interesse em nosso estudo. As dimensões derivadas são uma combinação de dimensões primárias. Por exemplo, a segunda lei do movimento de Newton define uma força como o produto de uma massa por sua aceleração; esta lei é indicada como

F 5 ma (1.1)

Selecionamos massa m para ser uma dimensão primária. A aceleração a tem as di-mensões derivadas do comprimento dividido pelo quadrado do tempo. As dimen-sões em força F são uma combinação de comprimento, massa e tempo conforme demonstra a Equação 1.1. A velocidade é medida pelas dimensões do comprimento dividido pelo tempo.

Dois principais sistemas de unidades estão em uso hoje. O Sistema Consuetudi-nário de Unidades Americano é utilizado pelos Estados Unidos, e o sistema SI (Sys-tème international d’unités), um sistema métrico particular, é usado pela maioria das outras nações. Ambos os sistemas serão utilizados na versão dos Estados Unidos no presente livro, porém somente o sistema SI será usado na versão internacional.

Um conceito importante que envolve dimensões é o da homogeneidade dimen-sional. Ele exige que todos os termos de uma equação tenham as mesmas dimen-sões. Uma verificação rápida sobre a validade de uma equação é certificar-se de que as dimensões de todos os termos são as mesmas. Se a dimensão é força em um termo em uma equação, então todos os termos devem ter a dimensão de força. Sendo as-sim, quando as unidades são atribuídas às quantidades em uma equação, certifique-se de que as unidades de cada termo sejam as mesmas; isto é, se a unidade for kN em um termo, não poderá ser N em outro termo na mesma equação.

Finalizamos esta seção com comentários sobre algarismos significativos. Em qua-se todos os cálculos, uma propriedade do material é envolvida ou um número é o resultado de uma medição. As propriedades dos materiais raramente são conhecidas por quatro dígitos significativos, e muitas vezes, apenas por três, e as medições são feitas até três e possivelmente quatro dígitos significativos. Portanto, não é apropriado expressar respostas de cinco ou seis dígitos significativos. Os cálculos são tão precisos quanto o número menos preciso em nossas equações. Por exemplo, podemos usar a gravidade de 9,81 m/s2, apenas três algarismos significativos; um diâmetro pode ser indicado como 2 cm, o qual se supõe ser de 2,00 ou 2,000, três ou quatro algarismos significativos. Geralmente, é aceitável expressar respostas usando quatro dígitos signi-ficativos, mas não cinco ou seis. O uso de calculadoras pode até gerar oito. O engenhei-ro não fornece, em geral, resultados de cinco ou seis dígitos significativos.

1.2.1 O sistema SIO sistema SI de unidades foi criado em 1793 pelo governo francês como alternativa em decimais para o sistema inglês. A utilização do sistema SI se espalhou por toda a Europa como resultado das conquistas militares de Napoleão Bonaparte. As dimen-sões primárias e suas unidades são mostradas na Tabela 1.1. A unidade de força no sistema SI é o newton. Para obter a força F em newtons, multiplique a massa m em quilogramas pela aceleração a em metros por segundo ao quadrado, como definido pela Equação 1.1. Um newton acelera uma massa de um quilograma em um metro

Conceito principal: Uma unidade é usada para medir uma dimensão. A massa é uma dimensão, kg é uma unidade.

Dimensões primárias: Massa, comprimento, tempo e temperatura.

Dimensões derivadas: Combinação de dimensões primárias.

Homogeneidade dimensional: Todos os termos em uma equação devem ter as mesmas dimensões.

Os cálculos são tão precisos quanto o número menos preciso em um cálculo.

Comentário

Observação: “Dígitos” e “valores” são sinônimos.



por segundo ao quadrado quando atua sobre uma superfície horizontal sem atrito, como mostra a Figura 1.1. Assim, a Equação (1.1) assume a forma

1 N 5 1 kg 3 1 m/s² (1.2)

mostrando que N 5 kg?m/s2. Um newton é equivalente a 1 kg?m/s2.

Tabela 1.1 Dimensões primárias e unidades do sistema SI

Dimensão Unidade Abreviatura

Comprimento metro m

Tempo segundo s

Massa quilograma kg

Temperatura grau K ou 8C

Ao expressar uma quantidade em unidades de SI, certos prefixos representados por letras, mostrados na Tabela 1.2, podem ser utilizados para identificar a multipli-cação por uma potência de 10. Então, em vez de escrever 30.000 N (vírgulas não são usadas no sistema SI) ou 30 3 103 N, podemos simplesmente escrever 30 kN.

O sistema SI de medida é usado por todo o mundo, exceto na Birmânia, Libéria, e nos Estados Unidos. Os produtos fabricados nos Estados Unidos usando o sistema inglês de unidades são muitas vezes incompatíveis com os projetos desenvolvidos usando o sistema SI. Os engenheiros que trabalham nos Estados Unidos são enco-rajados a se familiarizar com ambos os sistemas de unidades, apesar de uma indús-tria em particular poder ter seu próprio conjunto de unidades, que pode não ser de unidades do sistema SI ou do sistema inglês. Em um mundo onde o comércio ocorre entre a maioria dos países, é imperativo que todos nós tenhamos um conjunto uni-forme de unidades. O SI fornece esse sistema, e os Estados Unidos devem se agilizar para adotá-lo em todas as suas indústrias.

As unidades derivadas para outras propriedades, como de trabalho, da energia térmica e de potência, serão apresentadas nos próximos capítulos onde estes termos são definidos.

Esta subseção é incluída para informar ao leitor sobre o Sistema Consuetudi-nário de Unidades Americano que permanece em uso em diversos países, incluindo os Estados Unidos. Apenas o sistema SI de unidades será utilizado nos exemplos e problemas do presente livro, de modo que esta subseção e o Exemplo 1.1 podem ser omitidos, se desejado.

Tabela 1.2 Prefixos das unidades segundo o SI

Fator de multiplicação Prefixo Símbolo

1012 tera T

109 giga G

106 mega M

103 quilo k

1022 centi1 c

1023 mili m

1026 micro μ

1029 nano n

10212 pico p

Figura 1.1Uma força acelerando uma massa em uma superfície horizontal sem atrito.

а 5 1 m/s2

F 5 1 Nm 5 1 kg

Escrevemos 10 newtons, e não 10 Newtons, seguindo

as normas do Instituto Nacional de Padrões e

Tecnologia (NIST, National Institute of Standards and Technology). O sistema SI segue um conjunto muito

detalhado de regras.

Comentário

Lembre-se de nosso Exemplo motivacional: a

sonda da NASA foi perdida porque as conversões entre unidades foram

confundidas.

Comentário

1 Desencorajado, exceto quando for medição de comprimento, área e volume: cm, cm2, ou cm3.



1.2.2 O sistema inglêsO Sistema Consuetudinário de Unidades Americano é baseado em um sistema tra-dicional inglês de unidades e será daqui em diante referido como o sistema inglês, mesmo que os ingleses não o utilizem mais. As dimensões primárias do sistema in-glês estão na Tabela 1.3.

Tabela 1.3 Dimensões primárias e unidades do sistema inglês

Dimensão Unidade Abreviatura

Comprimento pé ft

Tempo segundo s

Massa slug ou libra slug ou lbm

Temperatura grau 8R ou 8F

A unidade tradicional de massa no sistema inglês é o slug. A unidade de força é a libra. É necessária uma libra de força para acelerar uma massa de um slug a uma taxa de um pé por segundo ao quadrado sobre uma superfície horizontal sem atrito. Isso é representado pela segunda lei de movimento de Newton:

1 lbf 5 1 slug 3 1 ft/s2 (1.3)

que fornece a relação slug 5 lbf-s2/ft.Esse sistema funcionou muito bem até que a força fosse equiparada à massa.

Se um objeto pesa uma libra, e a aceleração da gravidade é g 5 32,2 ft/s2, então ele tem a massa de uma libra. Em algum momento, as pessoas começaram a descre-ver um objeto que pesava uma libra como tendo a massa de uma libra, apesar de massa e força serem duas quantidades muito diferentes. Tudo isso resultou em um sistema que define duas unidades de libras. Existe a libra força, lbf, e a libra massa, lbm. Uma libra massa (lbm) pesa uma libra força (lbf), assumindo a aceleração gra-vitacional de 32,2 ft/s2. Se não for 32,2 ft/s2, a lbf e a lbm não são iguais em grandeza. No entanto, para a maioria dos problemas considerados neste livro, g 5 32,2 ft/s2, sendo assim, 1 lbm pesa 1 lbf.

Para trabalhar no sistema inglês usando lbm e lbf, definimos uma constante de proporcionalidade gc 5 32,2 lbm-ft/lbf-s2. Aplique a segunda lei de Newton, admi-tindo uma massa de um slug (1 slug 5 32,2 lbm) e a Equação 1.1 fornece

F 532,2 lbm

32,2 lbm-ft/lbf-s2 3 1 fts2 5 1 lbf (1.4)

Portanto, vemos que uma força de 1 lbf acelera uma massa de 32,2 lbm em uma aceleração de 1 ft/s2. Consequentemente, quando usamos unidades inglesas em ter-modinâmica com a massa medida em lbm, a segunda lei de Newton, Equação 1.1 pode ser escrita como

F 5mgc

a (1.5)

No sistema SI, a constante de proporcionalidade não é necessária quando utilizamos a força em newtons, a massa em quilogramas, e a aceleração em m/s2. Um exemplo ilustrará o sistema inglês.

Conversão:

slug 5lbf-s2

ft

Para converter uma unidade, basta recorrer ao Google. Por exemplo, se você pesquisar no Google “10 lbf em N”, obterá “10 libras força 5 44,4822162 newtons”. Ou verifique a conversão adequada no Apêndice A. O Sr. Google não é um engenheiro, por isso foram utilizados nove dígitos significativos.

Comentário

Constante de proporcionalidade:

gc 5 32,2 lbm-ft

lbf-s2

A termodinâmica é um dos poucos cursos, se não o único, que usam a lbm e a lbf, muitas vezes, uma combinação bastante confusa. Ela está sendo eliminada progressivamente, ao passo que as unidades SI estão sendo incluídas.

Comentário



Que força é necessária para acelerar um carro?

Considere a força necessária para acelerar um carro em uma estrada horizontal, como representa a Figura 1.2. Que força as rodas de um carro que pesa 9.000 N necessitam aplicar para acelerar o carro a uma taxa de 3 m/s2?

Solução:

Se o carro pesa 9.000 N, ele tem uma massa de 917,4 kg, assumindo g 5 9,81 m/s2, que será a hipótese caso a aceleração da gravidade local não for dada. A segunda lei de Newton fornece

F 5 ma 5Wg

a 59.000N

9,81 m/s2 3 3 m/s25 2.752 N

A gravidade g é essencialmente uma

constante em qualquer lugar na superfície da Terra.

Ela varia menos do que 1% a partir do topo da

mais alta montanha à base da mais profunda fossa oceânica. Sendo assim, usar g 5 9,81 m/s2 em

toda a superfície da Terra é bastante aceitável.

Comentário

Exemplo 1.1

Você atingiu o resultado da aprendizagem (2)

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio1.3.1 Propriedades e estado de um sistemaPropriedades são as características de uma substância que podem ser medidas ou calculadas a partir de medições. As propriedades comuns, tais como tamanho, vo-lume, pressão e temperatura, são usadas no dia a dia; são relativamente fáceis de determinar. Outras propriedades, como a quantidade de energia contida em deter-minada massa de uma substância ou o teor de umidade no ar, ou até mesmo a ace-leração, não são fáceis de medir. As propriedades são associadas ao que é chamado estado de uma substância. O estado é definido por determinados valores atribuídos às propriedades de uma substância. Por exemplo, um cubo de gelo é definido pelo seu tamanho e forma, bem como a sua temperatura. Para o cubo de gelo ser gelo, sua temperatura deve ser igual ou inferior à temperatura de congelamento da água. Se alterarmos as propriedades de uma substância, o seu estado mudará. Se aumentar-mos suficientemente a temperatura do cubo de gelo, ele passa para o estado líquido. Como resultado, não somente a temperatura mudará, mas também a forma, já que tornou-se um líquido.

Neste capítulo consideraremos as propriedades termodinâmicas mensuráveis ou diretamente determinadas a partir de propriedades mensuráveis. As propriedades, como tamanho, pressão e temperatura, podem ser medidas utilizando-se uma varie-dade de dispositivos, mas propriedades como volume e densidade são diretamente determinadas a partir das propriedades medidas. No próximo capítulo, considerare-mos várias propriedades termodinâmicas desconhecidas que podem ser determina-das a partir das propriedades mensuráveis.

Há um raciocínio circular no presente capítulo que, às vezes, é difícil de acom-panhar. As propriedades de uma substância são definidas pelo seu estado. O estado de uma substância é definido por valores específicos de suas propriedades. Os dois

Propriedades: Caracte-rísticas de uma substância

que podem ser medidas ou calculadas a partir de

medições.

Estado: Definido pelos valores específicos das propriedades de uma

substância.

Figura 1.2

Fа 5 3 m/s2





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Esta obra apresenta uma introdução à termodinâmica, envolvendo armazena-mento, transferência e transformação de energia. Fornece os conceitos básicos e habilidades para a resolução de problemas que são posteriormente utilizados em mecânica dos � uidos, transferência de calor e no projeto de sistemas termo� uidos.

Formatado para um curso de ciências térmicas para estudantes de engenharia, Termodinâmica para engenheiros concentra-se em fornecer uma visão de como a termodinâmica pode ser usada para explicar exemplos de fenômenos cotidianos. Apresenta muitos exemplos práticos e grande variedade de problemas como tarefa para desenvolver con� gurações e soluções adequadas.

O texto apresenta ainda uma abordagem atualizada e didática e utiliza muitos recursos grá� cos, como fotos, tabelas, ilustrações e � guras para exempli� car com clareza o conteúdo estudado.

APLICAÇÕESObra destinada às disciplinas relacionadas às áreas térmicas, especialmente Termodinâmica I e II, dos cursos de engenharias. Poderá ser utilizado também como bibliogra� a complementar nas disciplinas mais aplicadas, como máqui-nas térmicas, motores de combustão interna, sistemas frigorí� cos, trocadores de calor, máquinas hidráulicas entre outras.



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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

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Termodinâmica para Engenheiros