UTFPR – Termodinâmica 1

  • Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica

  • Princípios de Termodinâmica para Engenharia

  • Capítulo 2

Objetivos

  • Organizar de uma maneira adequada as idéias sobre um conceito fundamental de termodinâmica: a energia;

  • Introduzir o conceito termodinâmico de energia como uma extensão de energia em Mecânica.

Energia Cinética

Energia Potencial

Energia

Trabalho Termodinâmico

  • Uma certa interação é classificada como trabalho se satisfazer a definição termodinâmica de trabalho, que diz: Um sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças se o único efeito sobre tudo aquilo externo ao sistema puder ser o levantamento de um peso;

  • Trabalho é um modo de transferir energia. Energia é transmitida e armazenada quando se realiza trabalho.

Exemplos de trabalho

Convenção de Sinais

  • W > 0: trabalho realizado pelo sistema;

  • W < 0: trabalho realizado sobre o sistema.

Trabalho: não- propriedade

  • Como o valor de W depende dos detalhes das interações que ocorrem entre o sistema e suas vizinhanças, logo trabalho não é uma propriedade;

  • A diferencial δW é inexata, pois ela não pode ser calculada sem especificar os detalhes da interação. Por isso calcula-se do estado 1 para o estado 2, e não a diferença entre 1 e 2.

Potencia

  • Potencia é a taxa na qual a transferência de energia ocorre. É basicamente o trabalho por unidade de tempo.

Trabalho de Pressão e Compressão

Pressão e Compressão Reais

  • Como a relação da pressão com o volume é complicada de ser encontrada, algumas vezes é necessário se realizar estimativas com dados experimentais;

Pressão e Compressão em Quase- Equilíbrio

  • É aquele em que todos os estados por onde o sistema passa podem ser considerados estados de equilíbrio;

  • Se tirarmos uma massinha a expansão afetaria ligeiramente o equilíbrio;

  • Se retornarmos a massa o sistema retorna ao estado inicial;

Relação Gráfica

Relação Analítica

  • São formas analíticas para a relação pressão- volume;

  • Existem várias relações, a mais usada é a expressão para um processo politrópico, que descrita abaixo:

  • onde n é uma constante que depende do processo.

Outros exemplos: alongamento de uma barra

Estiramento de uma película líquida

Potência transmitida por eixo

Trabalho elétrico

Trabalho de polarização e magnetização

  • Microscopicamente: Trabalho de alinhar por meio de um campo elétrico os dipolos de um sistema;

  • Macroscopicamente: Trabalho realizado pelo pólo magnético no sistema e suas vizinhanças.

Forças e deslocamentos generalizados

  • Em cada caso, a expressão do trabalho é escrita sob a forma de uma propriedade intensiva e a diferencial de uma propriedade extensiva;

  • Devido a noção de que trabalho é o produto força por deslocamento, a propriedade intensiva é às vezes chamada de força “generalizada”, enquanto a propriedade extensiva é chamada de deslocamento “generalizado”.

Primeira Lei da Termodinâmica

  • O valor do trabalho líquido realizado por ou sobre um sistema fechado submetido a um processo adiabático entre dois estados dados depende somente dos estados inicial e final, e não dos detalhes do processo adiabático.

Energia Interna

  • A energia é constituída de três contribuições macroscópicas:

  • Energia cinética, associada ao movimento do sistema como um todo;

  • Energia potencial, associada com a posição do sistema com um todo em um campo gravitacional;

  • Energia interna, que são todas as outras energias reunidas.

    • Também é uma propriedade extensiva;
    • É simbolizada pela letra U.

Variação de energia

  • O trabalho líquido em um processo adiabático é gerada pela alteração de alguma propriedade;

  • Essa propriedade é chamada de energia;

  • A variação e energia entre dois estados é definida por:

  • Nenhum valor de energia possuí significado em um único estado, somente variação de energia possuí significado.

Variação total de energia em um sistema

Energia Interna Microscópica

  • É a energia atribuída aos movimentos e configurações da moléculas, átomos e partículas subatômicas;

  • Como por exemplo: a translação, rotação vibração das moléculas, ligações atômicas, forças de ligação, ligações inter-moleculares, ...

Aumento de energia em sistemas fechados

  • Sistemas que realizam interações térmicas com as suas vizinhanças são conhecidos como não-adiabáticos;

  • Essas interações são trocas de calor que devem ser levadas em conta no balanço de conservação de energia;

  • Nos sistemas fechados as interações de troca de calor são formas de transferência de energia, assim como o trabalho.

Conservação de energia

Transferência por calor

  • A transferência de energia por calor é induzida apenas como resultado de uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança, e ocorre somente na direção decrescente de temperatura;

  • Esta quantidade de transferência é designada pela letra Q.

Convenção de Sinais

  • Q > 0: calor transferido para o sistema;

  • Q < 0: calor transferido do sistema.

Calor: não- propriedade

  • Como o valor de Q depende dos detalhes das interações que ocorrem entre o sistema e suas vizinhanças, logo calor não é uma propriedade;

  • Os limites de integração significam do estado 1 para o estado 2, e não se referem aos valores do calor nestes estados.

Taxa de transferência de calor

  • Quantidade de energia transferida sob a forma de calor durante um determinado período de tempo.

  • Também pode-se utilizar o fluxo de calor, que é a taxa de transferência de calor por unidade de área.

Condução

  • Transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para as partículas adjacentes menos energéticas;

Radiação

  • É a radiação emitida pela matéria como resultado de mudanças na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas;

  • Pode ocorrer no vácuo.

Convecção

  • É a transferência de calor entre um superfície sólida a uma temperatura e um fluído em movimento em uma outra temperatura.

Valores de coeficientes de convecção

Quando desprezar a transferência de Calor ?

  • Quando os materiais que cercam o sistema são bons isolantes;

  • Quando a diferença de temperaturas entre o sistema e suas vizinhanças não é significativa;

  • Quando não haver uma área superficial suficiente para permitir uma transferência de calor significativa.

Balanço de Energia em Sistema Fechado

Outras formas do balanço de energia

  • Forma diferencial:

  • Taxa temporal:

Balanço de energia instantâneo

Localização da fronteira

Localização da fronteira

Localização da fronteira

Linguagem de Engenharia

  • Uma maneira menos formal de se falar, que é comumente usada na prática de engenharia, é falar transferência de calor ou de trabalho, ao invés de falar transferência de energia por calor ou por trabalho, respectivamente.

Simplificações

  • Geralmente em estudos de termodinâmica o balanço de energia não envolve variações significativas de energia cinética e potencial;

  • Muitas vezes está simplificação fica explicita na enunciados dos exercícios;

  • Porém outras vezes fica ao critério de quem está resolvendo os problemas.

Balanço de Energia para um Ciclo

  • Uma vez que o sistema retorna ao seu estado inicial após o ciclo, não há variação líquida de energia;

  • Esta expressão tem que ser satisfeita por todos os ciclos termodinâmicos, independente dos processos envolvidos.

Ciclos de Potência

  • Sistemas que fornecem uma transferência líquida de energia sobre a forma de trabalho;

  • Qentra representa o calor do corpo quente que vai para dentro do sistema;

  • Qsai calor que sai do sistema para o corpo frio.

Eficiência Térmica

Ciclos de Refrigeração e Bomba de Calor

  • Sistemas que recebem uma transferência líquida de energia sobre a forma de trabalho;

  • Qentra representa o calor do corpo frio que vai para dentro do sistema;

  • Qsai calor que sai do sistema para o corpo quente.

Refrigeração X Bomba de Calor

  • O objetivo de um ciclo de refrigeração é reduzir a temperatura de um espaço refrigerado ou manter a temperatura dentro de um residência ou de outra construção abaixo daquela do meio ambiente;

  • O objetivo de uma bomba de calor é manter a temperatura dentro de um residência ou de outra construção acima daquela do meio ambiente ou fornecer aquecimento para certos processos industriais que ocorrem a temperaturas elevadas;

Refrigerador

Desempenho Térmico

Ciclos Reais

  • Ciclos de potência reais tem eficiência térmica invariavelmente menor do que a unidade devido ao fato de que nem toda a energia é convertida em trabalho, este conceito é mais bem explicado utilizando a segunda lei da termodinâmica;

  • Deseja-se que os desempenhos térmicos de ciclos de refrigeração e bomba de calor sejam os maiores possíveis, mas isso não é possível, pois há restrições impostas pela segunda lei.

Referências

  • MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.

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