Baixe Termodinâmica Aplicada I - Apostilas - Engenharia Naval e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Aeronáutica, somente na Docsity! TERMODINÂMICA TERMODINÂMICA APLICADA TERMODINÂMICA OBJETIVO  A Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia  A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho APLICACÕES III  Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica  Sistemas energéticos alternativos  Células de combustível  Dispositivos termoelétricos e termo iônicos  Conversores magneto hidrodinâmicos (MHD) APLICAÇÕES IV  Sistemas Geotérmicos  Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das marés)  Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica)  Aplicações biomédicas  Sistemas de suporte à vida  Órgãos artificiais CALOR E TEMPERATURA  Calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura.  Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. TRANSFERÊNCIA DE CALOR II  Convecção  Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. TRANSFERÊNCIA DE TEMPERATURA III  Radiação  Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas TEMPERATURA I  Propriedade difícil de se definir  Inicialmente foi definida a partir da sensibilidade do Homem  Pode-se distinguir que o corpo 1 está mais quente (ou frio) que o corpo 2 e este mais quente que o corpo 3, etc.  A quantificação da diferença somente é possível através de instrumentos (termômetros) TEMPERATURA IV  Se tomarmos dois blocos de cobre, um mais quente que o outro e colocarmos os dois em contato, haverá interação entre eles e o bloco mais quente irá esfriar e o mais frio irá se aquecer. Quando as interações cessarem as quantidades mensuráveis pararão de variar e os blocos estarão em equilíbrio térmico e portanto à mesma temperatura. TEMPERATURA V  Lei Zero da Termodinâmica  Quando dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estarão também em equilíbrio entre si. TERMÔMETROS I  São dispositivos que empregam uma substância ("termométrica") que possui pelo menos uma propriedade variável com a temperatura. Podem ser de: OUTRAS ESCALAS  CELSIUS: T(oC) = T(K) - 273,15  RANKINE: T(oR) = 9/5 T (K)  FAHRENHEIT: T(oF) = T(oR) - 459,67  T (°F) = 9/5 x T(°C) + 32 PONTO TRIPLO DA ÁGUA I  Em Física, o ponto triplo de uma substância é a temperatura e a pressão nas quais os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) coexistem em equilíbrio termodinâmico.  O ponto triplo a temperatura da água é exatamente 273,16 kelvin (0,01 °C) e a pressão é 611,73 pascal (cerca de 6,0373atm). O ponto triplo do mercúrio é a -38.8344 °C e a 0,2 mPa (0,002 bar). e PONTO TRIPLO DA ÁGUA Pressão E Ê fluido supereritico ponto crítico vapor superoquecido temperatura cmntica Tr - Temperatura EXERCÍCIO 1  Embora pareça impossível atingir-se o zero absoluto, temperaturas tão baixas quanto 0,000000002 K foram alcançadas em laboratórios.  a) Isso seria suficiente para todos os fins práticos?  b) Por quê os físicos deveriam (como o fazem) tentar obter temperaturas ainda mais baixas? EXERCÍCIO 1 – SOLUÇÃO (a)  Porque a temperaturas muito baixas os materiais exibem propriedades não observadas a temperaturas usuais. A supercondutividade é um exemplo dessas propriedades EXERCÍCIO 1 – SOLUÇÃO (b)  A motivação desse tipo de pesquisa está no fato de se poder encontrar novos fenômenos nas propriedades físicas dos materiais  – A tentativa de se reduzir os limites físicos conduz ao desenvolvimento de instrumentos mais sofisticados EXERCÍCIO 2 – SOLUÇÃO ( I )  Como a tensão “V” de saída varia linearmente com a temperatura “T”, podemos escrever: V = (a + b) x T (1) • (“a” e “b” são constantes)  Os pontos fornecidos permitem determinar as constantes: V = 0 quando T = 0 oC; substituindo na (1), vem que a = 0 V = 28 mV quando T = 510 oC portanto b = 0,0549 mV/oC; Para V = 10,2 mV, T = 185,8 oC EXERCÍCIO 2 – SOLUÇÃO ( II )  0 OC T=? 510OC 0mV 10,2mV 10,2mV (510 – T) = T (28 – 10,2) 5202 – 10,2T = 28T – 10,2T 5202 = 28T T = 185,78oC 2,1028 510 02,10 0     TT EXERCÍCIO 3  A que temperatura os seguintes pares de escalas serão numericamente iguais:  a) Fahrenheit e Celsius  b) Fahrenheit e Kelvin  c) Celsius e Kelvin EXERCÍCIO 3 – SOLUÇÃO ( C )  Celsius e Kelvin  Como as duas escalas se relacionam linearmente conforme a lei TC = T – 273,15 não há temperatura em que as leituras sejam numericamente iguais TERMODINÂMICA O conhecimento da relação entre calor e traba- lho é fundamental para que possamos compreender aquecimento do gás TI Ur vi o funcionamento das mais diversas máquinas térmi- resfriamento do gás T ul ul Eos RES o translormação Essa relação Fisica é estudada pela Termodiná- isoférmica Tecto, lzcto. v=ela, mica. Vejamos, agora, os conceitos de energia interna e trabalho termodinâmico. ENERGIA INTERNA Uh Dentre as modalidades de energia que mais se destacam, podemos citar a energia cinética de trans- lação das moléculas, a energia cinética de rotação e a energia potencial de ligação. 4 soma dessas diferentes modalidades de energia de todas as moléculas que participam do sistema constitui a energia interna (UHE do sistema: Em se tratando de um sistema constituído com cer- ta massa de gas perfeito (gas real de comportamento próximo ao ideal), a energia intetna CU) do sistema restringe-se à soma de todas as energias cinéticas de translação de suas moléculas, podendo ser deter- minada do seguinte modo: me 3 3 UR T=S py 2” 2 P DEFINIÇÕES  Sistema  Identifica o objeto da análise ● Corpo livre ●Tanque de paredes rígidas ●Tubulação onde um fluido escoa ●Refinaria inteira DEFINIÇÕES  Volume de controle  Região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa DEFINIÇÕES  Propriedade ● É qualquer característica mensurável da substância estudada  Propriedade intensiva ● É a que independe da quantidade de massa em estudo  Ex.: Temperatura, pressão, densidade DEFINIÇÕES  Propriedade extensiva ● É a que depende da quantidade de massa em estudo.  Ex.: Entalpia, energia interna, volume, entropia.  Obs: Uma propriedade extensiva vira intensiva, quando expressa por unidade de massa DEFINIÇÕES  Processo ● É o caminho definido pela sucessão de estados através dos quais a substância passa ao sair de um estado inicial e chegar a um estado final. ● Quando muda uma ou mais propriedade de uma substância, dizemos que ocorreu uma mudança de estado. DEFINIÇÕES  Ciclo ● Um sistema executa um ciclo quando sai de um determinado estado inicial, passa por diversos outros estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial. ● OBS: Uma propriedade de uma substância tem valor único em cada estado que se encontra e independe do caminho que percorreu até se encontrar naquele estado. 12 2 1 VVdV    2 1 12 HHdH 12 2 1 SSdS  DEFINIÇÕES  Trabalho ● Força produzindo o deslocamento de um corpo, sendo que o deslocamento acontece da direção da força DEFINIÇÕES  Entalpia ( H ) ● Ao analisar certos processos terrmodinâmicos, frequentemente encontramos a combinação da propriedade Energia Interna (U) com o produto (PV) que também é uma propriedade energética da substância:  ENTALPIA  Esta combinação de propriedade foi denominada de Entalpia • H U + PV≅ • h u + Pv≅ • H = m x h DEFINIÇÕES  Entropia ( S ) ● É a medida do grau de desordem das moléculas de uma substância (caos do sistema) ● O caos do sistema está relacionado com os movimentos de translação, rotação e vibração dos átomos e moléculas das substâncias TÍTULO ( X ) EXERCÍCIO 4  Dado que  Mostrar que mlmv mv mt mv X   VvXVlXVt .).1(  Exercício 4 - Solução mlmv mv mt mv X   VlVvVt  mt VvmvVlml Vt ..  VvXVlX mt Vvmv mt Vlml Vt .).1( ..  VvmvVlmlVtmt ...   EXERCÍCIO 5  Determinar o volume específico do vapor saturado a 100oF, tendo-se um título de 70%, no S.I.  vT = vL + x vLV  vT = 16,130 x 10-3 + 0,7 x 349,984  vT = 245,005 ft3/lbm  vT = 15,295 m3/kg EXERCÍCIO 6  Determinar: temperatura de saturação, volume específico, entalpia, energia interna e a entropia do vapor saturado a 3,75 bar, tendo-se um título de 100% EXERCÍCIO 6 – SOLUÇÃO  Note-se que a tabela não traz os valores procurads (3,75 bar), daí a necessidade de se interpolar os valores: 3,5 138,9 0,5243 2732,4 2546,9 6,9405 4,0 143,6 0,4625 2738,6 2553,6 6,8959 A interpolação é conseguida considerando-se (fo e f1 são os valores tabulados consectivos): 10 PRINCÍPIO  Princípio da conservação da energia  “A variação da energia Inter-na de um sistema é dada pela diferença entre o calor trocado ( Q ) com o meio externo e trabalho ( ) realizado” ∆U = Q -   TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA  Quando, em expansões, gasosas o volume do gás aumenta, ele próprio empurra o êmbolo ou pistão, realizando trabalho positivo.  Quando em compressões gasosas o volume do gás diminui, o meio externo empurra o êmbolo ou pistão contra o gás, realizando trabalho negativo. OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS  Isométrica, isocórica, isovolumétrica ● t = p. V = oJ, pois o volume é constante Q = U  Isotérmica ● Lembrando que: = Joules, pois a temperatura é constante Q =   TRnU  ... 2 3 0U  TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA  Dis-se que uma transformação é adiabática quando um sistema gasoso não troca energia, sob a forma de calor, com o meio externo (Q=0); A troca de calor acontece à custa da variação da energia interna do sistema. A transformação ocorrida com o gás denomina-se adiabática. TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA  As trocas de calor entre o sistema e o meio sempre se processam lentamente. Assim, para que tenhamos uma trans- formação adiabática ou, pelo menos, que se aproxime de uma adiabática, devemos fazer com que a evolução ocorra do modo mais rápido possível, porque assim não haverá tempo suficiente para que o sistema e o meio externo troquem calor entre si. TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA  Observe que o trabalho (δ) trocado com o meio e a variação da energia interna do sistema (∆U) têm sinais opostos.  Convém salientar que as transformações diabáticas são regidas pela equação de Laplace-Poisson, matemáticos e físicos franceses do século XIX U U UQ       0 trabalho ( Qx + ter hora kem ches escapamento terna doa che admissdo água fria T ebiricdros a caldeira condemeacior fonte quente ( Ca ) fonte fria ( Cb b PRIMEIRO AUTOMÓVEL  Locomobile 1900 – Motor a vapor de dois ciliindros CICLO DE CARNOT  No início do século XIX, Sandi Carnot preocupava-se com o rendimento das má- quinas térmicas, em sua obra “Reflexões sobre a força motriz do fogo”; CICLO DE CARNOT  Carnot afirmava que o rendimento de uma máquina térmica era função única das temperaturas das fontes frias e quentes. CICLO DE CARNOT  O ciclo para a obtenção do máximo rendimento de uma máquina térmica proposto por Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas, intercaladas com duas transformações adiabáticas CICLO CARNOT- EXERCÍCIO  T1=250 k T 3 2  T2=300 K Calor rejeitado  S2=1,2 kJ/kgK  S3=0,9kJ/kgK 4 1 (Dados) Calor Absorvido S CICLO CARNOT  Quais devem ser as quantidades de calor removido, qa, e rejeitado, qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo?  Como o Ciclo Carnot aparece como um retângulo no diagrama temperatura- entalpia, conclui-se que:  T3=T2 = 300K  T4=T1 = 250K  S1=S2 = 1,2 kJ/kgk  S4=S3 = 0,9 kJ/kgK  O Calor removido do ambiente a baixa temperatura, qa, pode ser obtido da área sob a linha 4 – 1: Carnot - COP  COP = 5 7590 75      ar qq q COP a Geladeira  São máquinas térmicas cujo funcionamento consiste em retirar calor de uma fonte fria (congelador) e rejeitá- lo à fonte quente (meio ambiente). Geladeira II  Tal dispositivo não contraria o enunciado da espontaneidade do fluxo de calor enunciado por Clausius, pois a passagem não é expontânea, ocorrendo à custa de um trabalho realizado por um compressor ENTROPIA – Exemplo 2  Parte dessa energia foi irrevogavelmente dissipada sob a forma de calor, na estrada, como resultado do atrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio da exaustão de gases e para vencer a resistência do vento, e jamais será aproveitada. ENTROPIA  Em 1860, Clausius criou o conceito de entropia ( palavra de origem grega que significa “mudança de forma” ) visando caracterizar essa tendência natural de evolução do Universo. ENTROPIA  O fato de a entropia do Universo aumentar continuamente, leva alguns autores a sugerir que o Universo caminha para uma espécie de morte pelo calor, um estado de entropia máxima quando toda energia existente não seria utilizável, pois estaria sob a forma de energia de agitação molecular (energia térmica).