AULA 3 - PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

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ENGENHARIA
MECÂNICA
INTEGRADA
AULA 3
ENERGIA E PRINCÍPIOS
DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA 
A energia pode se manifestar de diversas formas: mecânica, elétrica, térmica, cinética, potencial, magnética, química e nuclear. A energia total de um sistema é a soma de todas elas. 
A energia pode ser analisada através de uma forma macroscópica:
Movimento → energia cinética (velocidade)
Posição → potencial (altura)
A energia pode ser analisada através de uma forma microscópica → relacionada à estrutura molecular chamada de energia interna (U). 
 
ENERGIA
Energia Interna (U)	
Em estudos de termodinâmica aparece como energia interna (U) dada em kJ, BTU ou kcal; ou na forma de energia interna específica, que é a energia interna por unidade de massa dada em kJ/kg, BTU/lbm ou kcal/kg.
Energia cinética (EC) 
É resultado a um movimento relativo a um referencial e pode ser expressa por:
ENERGIA
Energia Potencial (EP)
É aquela existem em relação à altura em um campo gravitacional e sua formulação matemática é dada por: 
ENERGIA
Para a termodinâmica iremos considerar apenas essas três formas de energia como o valor total presente o sistema. Apesar de haver diversas outras formas de energia seus efeitos são significativos apenas em alguns casos específicos. Portanto, a energia em um sistema será:
ENERGIA
Algumas vezes é importante analisar a energia em relação ao tempo, ou seja, a taxa de energia. A variação de energia no tempo é definida como o fluxo de energia e possui a dimensão de potência.
ENERGIA
Trabalho
Podemos definir o trabalho termodinâmico como: "Um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre o meio (tudo externo ao sistema) PUDER SER o levantamento de um peso."
O trabalho realizado por um sistema é considerado positivo e o trabalho realizado sobre o sistema é negativo. O símbolo W designa o trabalho termodinâmico.
ENERGIA
Calor
Calor é definido como sendo a forma de energia transferida, através da fronteira de um sistema a uma dada temperatura, a outro sistema (ou meio) numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os dois sistemas.
O calor só pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor é um fenômeno transitório.
ENERGIA
A única maneira de variar a energia de um sistema fechado é por meio de calor ou trabalho. Porém a energia deve ser conservar, isto é, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Essa conservação de energia é o princípio da Primeira Lei. 
Balanço de Energia para um Sistema Fechado
1ª Lei da Termodinâmica
Em um conjunto pistão cilindro, 5 kg de vapor sofre um processo de expansão, passando do estado 1 para o estado 2. Durante esse processo, o vapor recebe a transferência de calor fornecido pela chama e a transferência de trabalho fornecido pelas pás das hélices. Os valores da energia interna específica também são conhecidos e estão ilustrados na figura abaixo. Determine a quantidade de energia transferida por trabalho do vapor para o pistão durante o processo.
EXERCÍCIO 1
O trabalho líquido pode ser definido através do balanço de energia
∆EU + ∆EC + ∆EP = Q - W mas ∆EC = ∆EP = 0 
W = Q - ∆EU (1)
Há dois tipos de trabalho realizado no processo: o das pás da hélice (Wh) e o do pistão (Wp)
W = Wh + Wp (2)
RESOLUÇÃO 1
Substituindo (2) em (1) temos:
 
 
 
 
 
RESOLUÇÃO 1
Um sistema que consiste de 2 kg de amônia é submetido a um ciclo composto dos seguintes processos:
- Processo Isocórico 1-2: P1 = 1.003,2 kPa ; v1 = 0,07754 m3/kg; u1 = 919,6 kJ/kg. 
- Processo Isotérmico 2-3: Q23 = 228 kJ e u2 = 1.341,6 kJ/kg 
- Processo Isobárico 3-1: P3 =1000 kPa ; v3 = 0,14027 m3/kg e u3 =1.374,95 kJ/kg
Desprezando os efeitos das energias cinética e potencial, determine:
a) O trabalho líquido relativo ao ciclo; e
b) A quantidade de calor trocada para cada processo, todos em kJ.
EXERCÍCIO 2
RESOLUÇÃO 2 
 
 
 
 
 
 
 
RESOLUÇÃO 2 
 
 
 
 
 
RESOLUÇÃO 2 
A energia mecânica pode ser obtida através de
Energia mecânica específica
Energia Mecânica
A taxa ou fluxo de energia mecânica é a energia variando no tempo. A energia variando no tempo pode ser chamada de taxa de variação de energia, fluxo de energia ou potência.
Fluxo de Energia Mecânica
Em um determinado local, o vento tem a velocidade constante de 10 m/s. Determine a energia mecânica do ar por unidade de massa e o potencial para a geração de potência de uma turbina eólica com pás de 60 de diâmetro naquele local. Admita uma densidade do ar de 1,25 kg/m3. 
EXERCÍCIO 3
A energia mecânica por unidade de massa é chamada de energia mecânica específica e é dada por:
Como não há energia potencial, temos:
RESOLUÇÃO 3 
Muito importante entender essa relação:
Ou seja:
Portanto, a energia mecânica por unidade de massa será:
RESOLUÇÃO 3 
Fluxo de energia é a energia por unidade de tempo
 
Temos a energia mecânica por unidade de massa. 
O que é necessário para se determinar a potência, ou seja, o que é necessário para transformar kJ/kg em kW?
RESOLUÇÃO 3 
O enunciado fornece a velocidade e a densidade do ar, bem como o diâmetro da hélice. Portanto, é possível calcular a vazão mássica através de:
RESOLUÇÃO 3 
O potencial para a geração de potência de uma turbina eólica será:
RESOLUÇÃO 3 
Um rio que escoa a uma vazão constante de 240 m3/s é considerado para geração de energia elétrica. É decidido que uma barragem pode ser construída para coletar água e liberá-la mediante uma diferença de altura de 50m para gerar energia. Determine qual a potência que pode ser gerada com a água desse rio após o preenchimento da barragem.
EXERCÍCIO 4
A energia mecânica por unidade de massa é chamada de energia mecânica específica e é dada por:
Como não há energia cinética, temos:
RESOLUÇÃO 4 
Fluxo de energia é a energia por unidade de tempo
 
Temos a energia mecânica por unidade de massa. 
Para se determinar a potência é necessário multiplicar a energia mecânica por unidade de massa pela vazão mássica. Portanto, a vazão mássica deverá ser calculada.
O enunciado informou a vazão volumétrica, logo:
RESOLUÇÃO 4 
A potência que pode ser gerada com a água desse rio será:
RESOLUÇÃO 4 
Uma sala de aula para 40 pessoas deve ser climatizada por meio de aparelhos de condicionamento de ar com capacidade de resfriamento de 5 kW. Admite-se que uma pessoa parada dissipe calor a uma taxa de aproximadamente 360 kJ/h. Existem 10 lâmpadas incandescentes na sala, cada uma com capacidade nominal de 100 W. A taxa de transferência de calor para sala através das paredes e das janelas é estimada em 15.000 kJ/h. Para que o ar da sala seja mantido à temperatura constante de 21 °C, determine o número de aparelhos de condicionamento de ar necessários.
EXERCÍCIO 5
RESOLUÇÃO 5 
As necessidade de iluminação de uma instalação industrial estão sendo atendidas com 700 lâmpadas fluorescentes de 40 W. As lâmpadas estão perto de completar sua vida útil de serviço e devem ser substituídas por lâmpadas equivalentes de 34 W (alta eficiência) que operam nos blocos de alimentação existentes. As lâmpadas fluorescentes de 40 W e 34 W podem ser compradas ao custo de R$ 1,77 e R$ 2,26 a unidade, respectivamente. A instalação opera 2.800 horas por ano e todas as lâmpadas são mantidas acesas durante o horário de operação. Se o custo unitário da eletricidade é R$ 0,08/ (kW.h) e o fator do bloco de alimentação é 1,1 (ou seja, consomem 10% da potência nominal das lâmpadas), determine a quantidade de energia e o valor economizado por ano resultante da substituição das lâmpadas e determine também o período de recuperação do investimento.
EXERCÍCIO 6
RESOLUÇÃO 6 
A primeira lei da termodinâmica estabelece o princípio da conservação de energia, pelo qual se pode dizer que uma variação positiva de energia em um sistema é resultado da
A)soma do calor que entra no sistema com o trabalho realizado pelo sistema na vizinhança.
B) soma do calor que entra no sistema com o trabalho fornecido ao sistema pela vizinhança.
C) soma do calor que sai do sistema com o trabalho fornecido ao sistema pela vizinhança.
D) diferença entre o calor que entra no sistema e o trabalho fornecido ao sistema pela vizinhança.
E) diferença entre o calor que sai do sistema e o trabalho realizado pelo sistema na vizinhança.
EXERCÍCIO TEÓRICO
RESOLUÇÃO
Q (+) = Calor entrando no sistema
W(-) = Trabalho entrando no sistema ou trabalho realizado pela vizinhança no sistema
RESPOSTA B
Dúvidas ou Perguntas?