Aulas de Termodinâmica

Aulas de Termodinâmica

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UNISANTA – FACULDADE DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA

DISCIPLINA: 0457- TERMODINÂMICA APLICADA

NOTAS DE AULA

Prof. Antonio Santoro

AULA 01

Termodinâmica Aplicada

Referência:

  1. Fundamentos de Termodinâmica – 5a. Edição

Van Wylen, Sonntag

1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS

1.1 - Sistema Termodinâmico

Sistema termodinâmico consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado MEIO ou VIZINHANÇA.

O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma FRONTEIRA ou SUPERFÍCIE DE CONTROLE a qual pode ser móvel, fixa, real ou imaginária

Sistema Fechado - É o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema.

Volume de Controle - Ao contrário do sistema fechado, é o sistema termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de controle que definem o sistema.

Assim, dependendo da interação entre o sistema termodinâmico definido para estudo, e a vizinhança, chamaremos a essa região de Sistema Fechado ( demarcado pela fronteira ) ou Volume de Controle ( demarcado pela superfície de controle) conforme se verifique as definições acima citadas. Exemplo de Sistema Fechado e Volume de Controle

A figura 1.1-1 é um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo de massa através das fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor.

A figura 1.1-2, por sua vez, constitui um volume de controle pois temos fluxo de massa atravessando a superfície de controle do sistema.

Fig. 1.1-1 - Sistema fechado Fig. 1 .1-2 - Volume de controle

Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado quando não existe qualquer interação entre o sistema termodinâmico e a sua vizinhança. ( ou seja, através das fronteiras não ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc. )

1.2 - Estado e Propriedades de uma Substância

Se considerarmos uma massa de água, reconhecemos que ela pode existir sob várias formas. Se ela é inicialmente líquida pode-se tornar vapor após aquecida ou sólida quando resfriada. Assim nos referimos às diferentes fases de uma substância: uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea; quando mais de uma fase está presente, as fases se acham separadas entre si por meio dos contornos das fases. Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinâmica, em vários estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis; algumas das mais familiares são: temperatura, pressão, volume específico, etc. Cada uma das propriedades de uma substância num dado estado tem somente um valor definido e essa propriedade tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e é independente do caminho ( isto é, da história ) pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades.

Propriedades Termodinâmicas - As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva àquela que depende do tamanho ( extensão ) do sistema e/ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes ( reais ou imaginárias ) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc.

Propriedade Intensiva - Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Pressão etc.

Propriedade Específica - Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade específica:

Volume específico , v,

Energia Interna específica , u,

onde: m é a massa do sistema, V o respectivo volume e U é a energia interna total do sistema.

1.3 - Mudança de Estado de um Sistema Termodinâmico

Quando qualquer propriedade do sistema é alterada, por exemplo; Pressão, Temperatura, Massa, Volume, etc. dizemos que houve uma mudança de estado no sistema termodinâmico.

Processo - O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa é chamado processo.

Exemplos de processos:

- Processo Isobárico ( pressão constante )

- Processo Isotérmico ( temperatura constante )

- Processo Isocórico ( isométrico ) ( volume constante )

- Processo Isoentálpico ( entalpia constante )

- Processo Isoentrópico ( entropia constante )

- Processo Adiabático ( sem transferencia de calor )

Ciclo Termodinâmico - Quando um sistema ( substância ) , em um dado estado inicial, passa por certo número de mudança de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinâmico.

Deve ser feita uma distinção entre ciclo termodinâmico, descrito acima, e um ciclo mecânico. Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. Entretanto o fluido de trabalho não percorreu um ciclo termodinâmico dentro do motor, uma vez que o ar e o combustível são queimados e transformados nos produtos de combustão, que são descarregados para a atmosfera.

1.4 - Lei Zero da Termodinâmica

Quando dois corpos tem a mesma temperatura dizemos que estão em equilibrio térmico entre si. Podemos definir a lei zero da termodinâmica como:

" Se dois corpos estão em equilibrio térmico com um terceiro eles estão em equilibrio térmico entre si ".

A lei zero da termodinâmica define os medidores de temperatura, os TERMÔMETROS.

1.5 - Escalas de Temperatura

Para a maior parte das pessoas a temperatura é um conceito intuitivo baseado nas sensações de "quente" e "frio" proveniente do tato. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a temperatura está relacionada com o calor ficando estabelecido que este, na ausência de outros efeitos, flui do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa espontaneamente.

O funcionamento dos termômetros está baseada na lei zero da termodinâmica pois são colocados em contato com um corpo ou fluido do qual se deseja conhecer a temperatura até que este entre em equilíbrio térmico com o respectivo corpo. A escala do aparelho foi construída comparando-a com um termômetro padrão ou com pontos físicos fixos de determinadas substâncias.

Quatro escalas de temperatura são hoje usadas para se referir à temperatura, duas escalas absolutas e duas escalas relativas; são elas respectivamente: Escala KELVIN ( K ) e RANKINE ( OR) e escala Celsius ( OC) e Fahrenheit (OF). A Fig, 1.5-1 mostra as quatro escalas de temperatura e a relação entre elas.

Figura 1.5-1 - As escalas de temperatura e sua correspondência

Tipos de Termômetros

- Termômetro de Mercúrio em vidro ( expansão volumétrica )

- Termômetro de Alcool em vidro ( expansão volumétrica )

- Termômetro de Par Bimetálico ( dilatação linear diferenciada )

- Termômetro de Termistores ( variação da resistividade )

- Termômetro de Gás Perfeito ( expansão volumétrica )

- Termômetro de Termopar ( força eletromotriz )

- Pirômetro Ótico ( cor da chama )

- etc.

Exemplo 1.5-1

Escreva a relação entre graus Celsius ( oC ) e Fahrenheit ( oF )

Solução - Considere-se a escala dos dois Termômetros, Celsius

e Fahrenheit como mostrado na figura

Interpolando linearmente as escalas entre a referência de gelo fundente e a referência de vaporização da água temos:

1.6 - Pressão

Pressão, uma propriedade termodinâmica, é definida como sendo a relação entre uma força e a área normal onde está sendo aplicada a força. A Fig. 1.6-1 ilustra a definição dada pela equação 1.6 -1

( 1.6 -1 )

Figura 1.6-1 - Definição de Pressão

PRESSÃO TOTAL

Manômetro

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

Manômetro de Vácuo

Barômetro

ZERO ABSOLUTO

Unidades de Pressão

Pascal, Pa = ,

Quilograma - força por metro quadrado, =

Psig = , ( manométrica) Psia = ( absoluta )

bar = 105 Pascal

As pressões abaixo da pressão atmosférica e ligeiramente acima e as diferenças de pressão (como por exemplo, ao longo de um tubo, medidas através de um orifício calibrado ) são obtidas freqüentemente com um manômetro em U que contém como fluido manométrico: água, mercúrio, Alcool, etc. como mostra a Fig. 1.6-2

Figura 1.6-2 manômetro em U usado junto com um orifício calibrado

Pelos princípios da hidrostática podemos concluir que, para uma diferença de nível, L em metros, em um manômetro em U, a diferença de pressão em Pascal é dada pela relação :

onde é a aceleração da gravidade, é a densidade do fluido manométrico e L é a altura da coluna de líquido.

OBS.

A pressão atmosférica padrão é definida como a pressão produzida por uma coluna de mercúrio exatamente igual a 760 mm sendo a densidade do mercúrio de 13,5951 gm / cm3 sob a aceleração da gravidade padrão de 9,8067 m / s2

uma atmosfera padrão = 760 mmHg = 14,6959 lbf / in2

Exemplo 1.6-1

Em uma análise para se obter o balanço térmico de um motor diesel é necessário medir-se a vazão de ar admitido pelo motor. Um orifício calibrado é montado em uma caixa de entrada junto com um manômetro em U na admissão do motor, como mostrado, esquematicamente na figura. A vazão mássica do fluido escoando, , está relacionada, em um orifício calibrado, pela seguinte expressão, , onde é a diferença de pressão no manômetro em U , em Pascal, A é a área do orifício calibrado, em metros quadrados, CD é o coeficiente de descarga do orifício,cujo valor particular, para este caso é 0,59, é a densidade do fluido em escoamento. Determinar a vazão de ar para os dados mostrados na figura. (Considere a aceleração gravitacional local igual a 9,81 m/s2 , a densidade do ar como sendo, = 1,2 kg/m3 e a densidade da água do manômetro igual a 1000 kg/m3 )

Solução

- Calculo da diferença de Pressão indicada no manômetro em, U

da teoria temos;

- Calculo da área do orifício calibrado. Dos dados da figura temos

- A vazão em massa de ar admitida pelo motor diesel, pela expressão será

Exercícios

1-1)- Um manômetro montado em um recipiente indica uma pressão de 1,25 MPa e um barômetro local indica 96 kPa. Determinar a pressão interna absoluta do recipiente em: a) MPa , b) kgf / cm2, c) Psia e d) em milímetros de coluna de mercúrio.

OBS.: Adote para o mercúrio a densidade de 13,6 gm/cm3

1-2)- Um termômetro, de liquido em vidro, indica uma temperatura de 30 oC. Determine a respectiva temperatura nas seguintes escalas: a) em graus Fahrenheit ( oF ) , b) em graus Rankine ( oR ) e c) em Kelvin ( K ).

1-3)- Um manômetro contém um fluido com densidade de 816 kg/m3. A diferença de altura entre as duas colunas é 50 cm. Que diferença de pressão é indicada em kgf/cm2? Qual seria a diferença de altura se a mesma diferencia de pressão fosse medida por um manômetro contendo mercúrio ( adote densidade do mercúrio de 13,60 gm/cm3 )

1-4)- Um manômetro de mercúrio, usado para medir um vácuo, registra 731 mm Hg e o barômetro local registra 750 mm Hg. Determinar a pressão em kgf/cm2 e em microns.

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