Termodinâmica II - aula inicial

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Aula ministrada pela Multivix em Vitória/ES no curso de Engª Mecânica em 2014_2

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Termodinâmica II - aula inicial

  1. 1. Termodinâmica II Introdução à Termodinâmica para a Engenharia Prof. MSc. Farley Correia Sardinha
  2. 2. 2 Prof. Sardinha APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA Metodologia de Trabalho e Discussões Iniciais
  3. 3. 3 Prof. Sardinha Ementa Entropia; Aplicações da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica; Ciclos de potência e refrigeração; Conceitos de disponibilidade e irreversibilidade;
  4. 4. 4 Prof. Sardinha Ementa Aplicações de exergia na análise térmica de processos; Mistura de gases e gás-vapor; Mistura de gases e reações químicas.
  5. 5. 5 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 1.Energia e Primeira Lei da Termodinâmica a)Sistemas termodinâmicos; b)Estados termodinâmicos e variáveis de estado; c)Trabalho e energia cinética; d)Energia Potencial; e)Conservação da Energia Mecânica; f)Potência;
  6. 6. 6 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 1.Energia e Primeira Lei da Termodinâmica g)Trabalhos de Compressão e Expansão; h)Transferências de Energia por Calor; i)Balanço de Energia; j)Propriedades Termodinâmicas; k)Conservação de Massa; l)Balanço da taxa de massa;
  7. 7. 7 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 1.Energia e Primeira Lei da Termodinâmica m)Conservação de energia para volume de controle n)Bocais e difusores; o)Turbinas; p)Compressores e bombas; q)Trocadores de Calor; r)Análise Transiente.
  8. 8. 8 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 2.Segunda Lei da Termodinâmica a)Introdução à 2ª Lei; b)Disponibilidade e Irreversibilidade; c)Aplicações a ciclos termodinâmicos; d)Ciclos de potência interagindo com dois reservatórios e)Ciclos de refrigeração e bombas de calor; f)Ciclo de Carnot;
  9. 9. 9 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 2.Segunda Lei da Termodinâmica g)Ciclo Otto; h)Ciclo Diesel; i)Ciclo Stirling; j)Escala termodinâmica; k)Escala dos gases ideais; l)Máquinas reais X ideais.
  10. 10. 10 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 3.Entropia a)Entropia como propriedade do sistema; b)Valores em diversos casos; c)Equações TdS; d)Variação de Entropia; e)Balanço de Entropia;
  11. 11. 11 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 3.Entropia f)Sentido dos Processos; g)Balanço de taxas; h)Processos isentrópicos; i)Eficiência isentrópica de máquinas térmicas; j)Processos reversíveis.
  12. 12. 12 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 4.Análise de Exergia a)Conceituação; b)Exergia de um sistema; c)Balanço de exergia em sistemas fechados; d)Taxa de Exergia para Volumes em Regime Permanente; e)Eficiência exergética; f)Termoeconomia.
  13. 13. 13 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 5.Sistemas de Potência a)Geração de potência; b)Sistemas de potência a vapor; c)Sistemas de Potência a Gás; d)Sistemas de Refrigeração; e)Bombas de calor; f)Relações termodinâmicas.
  14. 14. 14 Prof. Sardinha Conteúdo Programático 6.Mistura de Gases a)Considerações gerais; b)Aplicações à psicrometria; c)Misturas reagentes e combustão.
  15. 15. 15 Prof. Sardinha Objetivos Gerais O aluno deve apreender a relevância dos conceitos mais fundamentais em Termodinâmica como base para um curso de Engenharia; Desenvolver a capacidade de identificar tais conceitos ao se deparar com diferentes fenômenos naturais e aplicações tecnológicas. Tornar-se capaz de empregar tais conceitos em sua vida profissional, utilizando-os no desenvolvimento de soluções dentro das atividades características da Engenharia.
  16. 16. 16 Prof. Sardinha Formas de Avaliação 1º Bimestre (2 avaliações) Pré-projeto = 2,0 pontos P1 = 8,0 pontos (Sem. de Avaliações) 2º Bimestre (2 avaliações) Projeto = 4,0 pontos P2 = 6,0 pontos (Sem. de Avaliações)
  17. 17. 17 Prof. Sardinha Projeto “Máquinas Térmicas” Objetivos: Colocar em prática os conhecimentos adquiridos em aula. Favorecer o desenvolvimento de habilidades inerentes à Engenharia. Proporcionar uma avaliação diferenciada dos métodos tradicionais e que leva em conta as habilidades que vão muito além do meio acadêmico.
  18. 18. 18 Prof. Sardinha Projeto “Máquinas Térmicas” Motivação: Representar uma máquina térmica, em escala, de forma a tornar possível compreender o seu funcionamento. Meta: Formar uma equipe de NO MÁXIMO 5 PESSOAS para construir um protótipo funcional de uma máquina térmica, tal como um motor Otto, um motor Diesel, um motor Stirling, uma turbina, etc.
  19. 19. 19 Prof. Sardinha Bibliografia Básica MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETNER, D. D.; BAILEY, M. B. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 7ª Ed., Rio de Janeiro: LTC, 2014. SCHMIDT, F. W.; HENDERSON, R. E.; WOLGEMUTH, C. H. Introdução às Ciências Térmicas: Termodinâmica, Mecânica dos fluidos e Transferência de Calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1996. WYLEN, G. J. V.; BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica. 6ª Ed., São Paulo: Edgard Blucher, 2003.
  20. 20. 20 Prof. Sardinha REVISÃO GERAL DE TERMODINÂMICA I Conceitos Importantes
  21. 21. 21 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias SISTEMA – qualquer coisa que você queira estudar. VIZINHANÇA – qualquer coisa externa ao sistema. FRONTEIRA – separa o sistema de sua vizinhança. Sistema Vizinhança Fronteira
  22. 22. Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Sistema fechado – é aquele que: Contém sempre o mesmo tipo de matéria; Não sofre transferência de massa através de sua fronteira. Sistema isolado – tipo especial de sistema fechado que não interage de forma alguma com sua vizinhança. Fronteira
  23. 23. 23 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Volume de Controle – é uma região do espaço através da qual flui massa. A massa pode atravessar a fronteira do volume de controle.
  24. 24. 24 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Sistemas podem ser descritos a partir de pontos de vista macroscópicos e microscópicos. Abordagem Microscópica – objetiva caracterizar por métodos estatísticos o comportamento médio de partículas que compõem um sistema e usa essa informação para descrever o comportamento geral do sistema. É usado pela Termodinâmica Estatística. Abordagem Macroscópica – descreve o comportamento do sistema em termos de efeitos globais das partículas que compõem o sistema ou, mais especificamente, efeitos que podem ser medidos por instrumentos tais como manômetros e termômetros. É usado pela Termodinâmica Clássica. A Engenharia usa predominantemente a Termodinâmica Clássica.
  25. 25. 25 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Propriedade – é uma característica macroscópica de um sistema para o qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado instante sem conhecimento do comportamento anterior do sistema. Para o pistão apresentado abaixo pode-se listar: Massa Volume Energia Pressão Temperatura Gás
  26. 26. 26 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Estado – É a condição de um sistema como descrita por suas propriedades. Frequentemente pode-se especificar o estado de um sistema ao fornecer valores de um subconjunto de suas propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto. Gás Estado: p, V, T, …
  27. 27. 27 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Processo – É uma transformação de um estado para outro. Quando qualquer uma das propriedades de um sistema muda, o estado muda, e se diz que o sistema foi submetido a um processo. Estado 1: p1, V1, T1, … Estado 2: p2, V2, T2, … Gás Gás
  28. 28. 28 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Propriedades Extensivas – dependem do tamanho ou da extensão de um sistema, tal como a massa, o volume e a energia. Seu valor para um sistema como um todo é a soma dos valores para suas partes Seu valor pode variar com o tempo, mas não com a posição.
  29. 29. 29 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Propriedades Intensivas – são independentes do tamanho ou extensão de um sistema, tais como pressão ou temperatura. Seu valor não é aditivo como para as propriedades extensivas. Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer instante, ou seja, são funções dependentes da posição e do tempo.
  30. 30. 30 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Um sistema isolado não interage com sua vizinhança. No entanto, seu estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos ocorrendo internamente à medida que suas propriedades intensivas, tais como a temperatura e a pressão tendem a valores uniformes. Quando todas essas mudanças cessam, o sistema entra em um estado de equilíbrio. Estados de equilíbrio e processos que levam de um estado de equilíbrio para outro têm um importante papel em análises termodinâmicas.
  31. 31. 31 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Do ponto de vista macroscópico, a descrição da matéria é simplificada ao se considerar a mesma como sendo uma distribução contínua em uma determinada região. Quando substâncias são tratadas como continua, torna-se possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas “em um ponto.” A densidade é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto.
  32. 32. 32 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Em qualquer instante, a densidade em um ponto é definida como: 휌=lim 푉→훿푉 푚 푉 Onde dV é o menor volume para o qual um valor definido dessa razão existe. Lembrando que no SI a unidade de medida de densidade é kg/m3, já no sistema britânico a unidade é lb/ft3.
  33. 33. 33 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Volume específico (휗) – é uma propriedade intensiva que é o recíproco (inverso) da densidade: 휗= 1 휌 O volume específico é comumente mais utilizado em análises termodinâmicas, quando se trabalha com gases que tipicamente possuem pequenos valores de densidade.
  34. 34. 34 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Considerando uma superfície arbitrária de área A, em um ponto qualquer de um fluido em repouso, a pressão nesse ponto é definida por: 푝=lim 퐴→훿퐴 퐹푁 퐴 Onde dA é a menor área para a qual um valor definido dessa razão existe e FN é a força normal a essa superfície.
  35. 35. 35 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias A unidade SI para a pressão é o pascal (Pa): 1 Pa = 1푁 푚2 Alguns múltiplos do pascal costumam ser usados: 1 푘푃푎 =103푁 푚2 1 푏푎푟 =105푁 푚2 1 푀푃푎 =106푁 푚2 Dentre as unidades inglesas destacam-se: pounds force per square foot → 푙푏푓 푓푡2 pounds force per square inch → 푙푏푓 푖푛2
  36. 36. 36 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Pressão Absoluta – relacionada à pressão zero de um vácuo completo. Ela deve ser usada em relações termodinâmicas. Instrumentos medidores de pressão frequentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera fora do instrumento de medida.
  37. 37. Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Quando a pressão do sistema é maior que a pressão atmosférica, o termo pressão manométrica é usado: 푝푚푎푛=푝푎푏푠−푝푎푡푚푎푏푠 Quando a pressão atmosférica é maior que a pressão do sistema, o termo pressão de vácuo é usado: 푝푣푎푐=푝푎푡푚푎푏푠−푝푎푏푠
  38. 38. 38 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias Se dois objetos (um mais aquecido que o outro) forem colocados em contato e isolados de sua vizinhança, eles interagirão termicamente de forma a causar mudanças em propriedades observáveis. Quando as mudanças em ambos os objetos cessarem eles entrarão em equilíbrio térmico. A temperatura é a grandeza física que determina quando esse equilíbrio térmico ocorre.
  39. 39. 39 Prof. Sardinha Conceitos e Definições Introdutórias
  40. 40. 40 Prof. Sardinha Balanço de Energia para Sistemas Fechados Energia é uma propriedade extensiva que inclui a energia cinética e a energia potencial gravitacional da engenharia mecânica. Para sistemas fechados, a energia é transferida para dentro e para fora do sistema, através de sua fronteira, por duas maneiras: através do calor e da realização de trabalho. Segundo a 1ª Lei da Termodinâmica, a energia sempre se conserva.
  41. 41. 41 Prof. Sardinha Balanço de Energia para Sistemas Fechados O balanço de energia para sistemas fechados implica em: A mudança na quantidade de energia contida dentro de um sistema fechado durante certo intervalo de tempo A transferência líquida de energia para dentro e para fora da fronteira de um sistema por calor e/ou trabalho durante esse intervalo de tempo
  42. 42. 42 Prof. Sardinha Mudança de Energia de um Sistema Em termodinâmica a variação de energia de um sistema tem três contribuições: Energia cinética Energia potencial gravitacional Energia interna
  43. 43. 43 Prof. Sardinha Variação na Energia Cinética A variação da energia cinética está associada com o movimento do sistema como um todo, relativamente a um sistema de coordenadas externo. Para um sistema de massa m, a variação da energia cinética do estado 1 para o 2 é: DK = K2 – K1 = 푚 2 푣22−푣12
  44. 44. 44 Prof. Sardinha Variação na Energia Potencial Gravitacional A variação da energia potencial gravitacional está associada com a posição do sistema com relação ao campo gravitacional terrestre. Para um sistema de massa m, a variação da energia potencial gravitacional do estado 1 para o 2 é: DP = P2 – P1 =푚.푔.푧2−푧1
  45. 45. 45 Prof. Sardinha Variação da Energia Interna A variação da energia interna (DU) está associada à composição do sistema, incluindo sua composição química. Não existe uma equação simples como as duas anteriores para calcular a variação da energia interna. Na maioria dos casos a variação é calculada usando dados tabelados.
  46. 46. 46 Prof. Sardinha Variação da Energia TOTAL Em suma, a variação da energia total de um sistema, que passa de um estado 1 para um estado 2, será dada por: Δ퐸=Δ푈+Δ퐾+Δ푃 Ou seja: 퐸2−퐸1=푈2−푈1+퐾2−퐾1+푃2−푃1 Não existe nenhum significado particular a ser atribuído à energia do sistema em um estado, o que mais importa é sua variação!
  47. 47. 47 Prof. Sardinha Transferência de Energia A energia pode ser transferida de um sistema para outro através de duas formas: Trabalho; Calor. Mas, lembre-se que a Termodinâmica interpreta o trabalho de uma forma mais ampla do que a Mecânica.
  48. 48. 48 Prof. Sardinha Exemplos de trabalho
  49. 49. 49 Prof. Sardinha Transferência de Energia por Trabalho Como a Termodinâmica frequentemente lida com motores de combustão interna, turbinas e geradores elétricos, convencionou-se a regra: 푊>0→ Trabalho feito PELO sistema; 푊<0→ Trabalho feito SOBRE O sistema; O mesmo vale para a potência 푊 .
  50. 50. 50 Prof. Sardinha Trabalho de Expansão e Compressão Considerando o sistema abaixo: O trabalho é dado por: 푊= 퐹.푑푥= 푝.퐴.푑푥⇒푊= 푝.푑푉 푉2 푉1
  51. 51. 51 Prof. Sardinha Trabalho de Expansão e Compressão Essa equação pode ser usada para calcular o trabalho de processos ideais, durante os quais a pressão p é a pressão de todo o gás e não aquela somente na face do pistão. Para isso deve-se supor que o gás passa uma sequência de estados de equilíbrio durante o processo. Tal expansão (ou compressão) ideal é chamada de processo de quase-equilíbrio (ou quase- estático).
  52. 52. 52 Prof. Sardinha Trabalho de Expansão e Compressão
  53. 53. Prof. Sardinha Trabalho de Expansão e Compressão Em uma expansão em quase-equilíbrio o processo sofrido pelo gás ocorre como no gráfico ao lado. Ao se calcular o trabalho realizado pelo gás através da equação anterior obtém- se valor igual à área sob o gráfico.
  54. 54. 54 Prof. Sardinha Trabalho de Expansão e Compressão Um exemplo de processo quase-equilíbrio é o processo politrópico, que é descrito pela equação: 푝.푉푛=푐표푛푠푡푎푛푡푒 Para o caso n = 1, então p1.V1 = p2.V2 = const: 푊= 푝.푑푉 푉2 푉1 푊= 푐표푛푠푡 푉 .푑푉 푉2 푉1 푊=푐표푛푠푡.푙푛 푉2 푉1
  55. 55. 55 Prof. Sardinha Exemplo 1.Um gás em um conjunto cilindro-pistão passa por uma expansão politrópica. A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3. Determine o trabalho, em kJ, se: a)n = 1,5 b)n = 1,0 c)n = 0
  56. 56. 56 Prof. Sardinha Transferência de Energia por Calor A transferência de energia por calor é induzida pela diferença de temperaturas entre o sistema e sua vizinhança. Essa transferência sempre ocorre na direção do decréscimo de temperatura.
  57. 57. 57 Prof. Sardinha Transferência de Energia por Calor Ao contrário da transferência de energia por trabalho, a transferência por calor obedece a seguinte regra: 푄>0→ Calor RECEBIDO pelo sistema; 푄<0→ Calor CEDIDO pelo sistema; O mesmo vale para a taxa de transferência de energia por calor 푄 . Se um sistema passa por um processo sem trocar calor com sua vizinhança, o processo é dito adiabático.
  58. 58. 58 Prof. Sardinha Transferência de Energia por Calor A energia pode ser transferida por calor de três maneiras: Condução – é a transferência de energia por interação entre partículas adjacentes (sempre das mais energéticas para as menos energéticas) de uma ou mais substâncias. Convecção – é a transferência de energia por interação entre uma superfície sólida e um fluido adjacente pela combinação de efeitos de condução e fluxo de partes do fluido. Irradiação – é a transferência de energia por radiação térmica, sem a necessidade de um meio material.
  59. 59. Prof. Sardinha Transferência por Condução Pela Lei de Fourier, a taxa de transferência de energia através de um plano paralelo ao eixo x é: 푄 푥=−휅.퐴. 푑푇 푑푥 Considerando que a temperatura decresce linearmente com x: 푄 푥=−휅.퐴. 푇2−푇1 퐿
  60. 60. Prof. Sardinha Transferência por Convecção Pela Lei de Resfriamento de Newton, a taxa de transferência de energia por convecção é dada por: 푄 퐶=ℎ.퐴.푇푠표푙푖푑표−푇푓푙푢푖푑표 Onde h é um parâmetro empírico chamado coeficiente de transferência de calor por convecção.
  61. 61. Prof. Sardinha Transferência por Irradiação Pela Lei de Stefan-Boltzman, a taxa de transferência de energia por ondas eletromagnéticas é dada por: 푄 푟=휀.휎.퐴.푇푒푚푖푠푠표푟 4−푇푟푒푐푒푝푡표푟 4 Onde e é uma propriedade da superfície chamada emissividade e s é constante de Stefan-Boltzman.
  62. 62. 62 Prof. Sardinha Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados Pode-se resumir os conceitos introduzidos até agora como abaixo: Ou seja: Δ퐸=푄−푊 Δ퐾+Δ푃+Δ푈=푄−푊 VARIAÇÃO na quantidade de energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo. Quantidade de energia RECEBIDA através das fronteiras do sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR. Quantidade de energia CEDIDA através das fronteiras do sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
  63. 63. 63 Prof. Sardinha Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados Então, taxa de transferência de energia pode ser dada por: Δ퐸=푄−푊⇒ 푑퐸 푑푡 =푄 −푊 Em palavras: A TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORAL da energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo. TAXA DE ENERGIA RECEBIDA pelo sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR. TAXA DE ENERGIA CEDIDA pelo sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
  64. 64. 64 Prof. Sardinha Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados
  65. 65. 65 Prof. Sardinha Exemplo 2.4,0 kg de certo gás em um conjunto cilindro- pistão passa por uma expansão politrópica, dada por: 푝.푉1,5=푐표푛푠푡 A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3. A variação da energia interna específica é 푢2−푢1=−4,6푘퐽 푘푔 . Considerando que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis, determine o calor, em kJ.
  66. 66. 66 Prof. Sardinha Exemplo 3.Um gás em um conjunto cilindro-pistão vertical e isolante, com um resistor elétrico em seu interior. A atmosfera exerce uma pressão de 1,0 bar no topo do pistão, que tem 45 kg e 0,09 m2. À medida que o resistor aquece o volume dos 0,27 kg de ar aumenta em 0,045 m3, enquanto sua pressão permanece constante e sua energia interna específica aumenta em 42 kJ/kg. Usando g = 9,81 m/s2, determine o calor entre o resistor e o gás, em kJ, para um sistema consistindo de: a)Apenas o gás. b)O gás e o pistão.
  67. 67. 67 Prof. Sardinha Exemplo 4.Enquanto encontra-se em ponto morto, uma caixa de marcha recebe 60 kW e transfere essa potência para o eixo de saída. Considerando-a como um sistema, a transferência de energia por convecção é: 푄 퐶=−ℎ.퐴.푇푠−푇푓 Onde h = 0,171 kW/m2.K, A = 1,0 m2. é a área da superfície externa, cuja temperatura é 푇푠=300 퐾. Considerando que 푇푓=293 퐾 é a temperatura do ar ao redor da caixa, calcule a taxa de transferência de energia e a potência fornecida, ambas em kW.
  68. 68. 68 Prof. Sardinha Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado. Incluem-se entre seus exemplos: Ciclos de Potência – desenvolvem uma transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade, usando uma transferência de energia por calor de gases em combustão.
  69. 69. Prof. Sardinha Ciclo de Potência A energias transferidas por calor e trabalho são positivas na direção das setas. WC é o trabalho realizado pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade. QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente de gases em combustão ou radiação solar. QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, geralmente a atmosfera ou um lago.
  70. 70. 70 Prof. Sardinha Ciclo de Potência Aplicando o balanço de energia para ciclo de operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: Δ퐸=푄퐶퐼퐶퐿푂−푊퐶퐼퐶퐿푂⇒푊퐶퐼퐶퐿푂=푄퐸−푄푆 A performance (eficiência térmica) de um sistema que passa por um ciclo de potência é dada como a quantidade de calor recebida que é transformada em trabalho, ou seja: 휂= 푊퐶퐼퐶퐿푂 푄퐸
  71. 71. 71 Prof. Sardinha Exemplo 5.Um sistema é submetido a um ciclo de potência, recebendo 1000 kJ por transferência de calor de gases de combustão, à temperatura de 500 K. O sistema descarrega 600 kJ na atmosfera a 300 K, por transferência de calor. Considerando que os gases de combustão são a fonte quente e a atmosfera é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e a eficiência térmica , em kJ.
  72. 72. 72 Prof. Sardinha Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado. Incluem-se entre seus exemplos: Ciclos de Refrigeração – promovem o resfriamento, de um volume refrigerado através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.
  73. 73. Prof. Sardinha Ciclo de Refrigeração A energias transferidas por calor e trabalho são positivas na direção das setas. WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade. QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo. QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.
  74. 74. 74 Prof. Sardinha Ciclo de Refrigeração Aplicando o balanço de energia para ciclo de operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: Δ퐸=푄퐶퐼퐶퐿푂−푊퐶퐼퐶퐿푂⇒푊퐶퐼퐶퐿푂=푄푆−푄퐸 O coeficiente de performance do ciclo de refrigeração relaciona-se ao trabalho necessário pra retirar calor da fonte fria, ou seja: 휂= 푄퐸 푊퐶퐼퐶퐿푂
  75. 75. 75 Prof. Sardinha Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado. Incluem-se entre seus exemplos: Ciclos de Bombas de Calor – promovem o aquecimento, de um ambiente através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.
  76. 76. Prof. Sardinha Ciclo de Bomba de Calor A energias transferidas por calor e trabalho são positivas na direção das setas. WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade. QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo. QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.
  77. 77. 77 Prof. Sardinha Ciclo de Bomba de Calor Aplicando o balanço de energia para ciclo de operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: Δ퐸=푄퐶퐼퐶퐿푂−푊퐶퐼퐶퐿푂⇒푊퐶퐼퐶퐿푂=푄푆−푄퐸 O coeficiente de performance do ciclo de bomba de calor relaciona-se ao trabalho necessário pra fornecer calor à fonte quente, ou seja: 훾= 푄푆 푊퐶퐼퐶퐿푂
  78. 78. 78 Prof. Sardinha Exemplo 6.Um sistema é submetido a um ciclo de bomba de calor ao descarregar 900 kJ a um ambiente e recebendo 600 kJ do ar externo, a 5 °C, em ambos os casos por transferência de calor. Considerando que o ambiente é a fonte quente e o ar externo é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e o coeficiente de performance, em kJ.
  79. 79. 79 Prof. Sardinha Outras Propriedades Importantes Fase – é uma porção de matéria que é homogênea, tanto com relação à composição química, quanto com relação à estrutura física. Uma porção de matéria homogênea com relação à sua estrutura física deve estar completamente em um único estado de agregação. Substância pura – é uma substância uniforme e invariável em sua composição química. Uma substância pura pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em todas as fases.
  80. 80. 80 Prof. Sardinha Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples Sistemas compressíveis simples (SCS) – são sistemas formados de substâncias puras comuns. O estado intensivo de um SCS em equilíbrio é descrito por suas propriedades intensivas, cujo número é determinado pelo princípio dos estados equivalentes. No entanto, propriedades cujos valores dependem de escolhas de dados arbitrárias são irrelevantes para o princípio dos estados equivalentes.
  81. 81. 81 Prof. Sardinha Nem todas as propriedades intensivas relevantes são independentes: Algumas relacionam-se por definições teóricas; Outras se relacionam por expressões empíricas; E outras podem ser independentes para uma única fase e tornarem-se independentes quando há mais fases presentes. Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples
  82. 82. 82 Prof. Sardinha Princípio de Estado dos SCS – para um SCS, valores de quaisquer duas propriedades intensivas independentes determinam os valores de todas as outras propriedades intensivas. Entre pares alternativos de propriedades alternativas independentes (T, v) e (p, v) são frequentemente convenientes. Mas, T e p não formam sempre um par independente. Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples
  83. 83. 83 Prof. Sardinha  Para SCS puros, a pressão pode ser determinada como uma função da temperatura e do volume específico: p = p(T, v) O gráfico dessa relação para a água está indicado ao lado. Regiões de fase única incluem a fase sólida, a fase líquida e o vapor. Superfície p-v-T Regiões de fase dupla, onde duas fases coexistem em equilíbrio, estão localizadas entre regiões de fase única.

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