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Termodinâmica Básica Profa Dra. Simoni M. Gheno simoni.gheno@docente.unip.br Aulas 1 e 2 3ª feira (quinzenalmente) 19h10 as 20h25 e 20h45 as 22h00 intervalo: 20h25 as 20h45 mailto:Simoni.gheno@docente.unip.br SIMONI MARIA GHENO ❑ Engenharia Química pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) ❑ Gestão da Tecnologia da Informação (UNIP) ❑ Mestrado - Universidade Federal de São Carlos (USFCar) ❑ Doutorado - Universidade Federal de São Carlos (USFCar) ❑ Pós-Doutorado - Universidade Federal de São Carlos (USFCar) ❑ Atuo como Professora na UNIP desde Agosto de 2001 ❑ Coordenadora do Curso de Engenharia Mecânica – UNIP Campus Ribeirão Preto desde 2010 ❑ Coordenadora do Curso de Engenharia Mecânica – UNIP Campus de Araraquara desde 2011 ❑ Coordenadora do Curso de Engenharia de Produção – UNIP Campus de Araraquara desde 2021 ❑ Gestora da INOVA CPS ❑ Várias publicações de artigos em revistas Nacionais e internacionais ❑ 2 livros escritos sendo um deles: Termodinâmica Aplicada Objetivos Princípios básicos da Termodinâmica Clássica Aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais para conceber, projetar e analisar problemas em sistemas abertos e fechados. O quê? Competências Como? O quê? Por que? Através das nossas aulas: teoria, exemplos e exercícios. Como? Profa. Dra. Simoni M. Gheno Por que? 1. Supervisionar a operação e a manutenção de sistemas térmicos; 2. Estar apto a prestar assistência, assessoria e consultoria, ser o responsável por vistoria, perícia, avaliação, monitoria, arbitramento, laudo, parecer técnico e auditoria. 3. Estar habilitado para promover treinamento, ensino, pesquisa, desenvolvimento, análise, experimentação, ensaio e divulgação técnica. 4. Fiscalizar serviços técnicos relacionados à Termodinâmica. Competências PLANO DE ENSINO Conteúdo Programático • Conceituação inicial • Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica. Formas de energia. • Calor, trabalho e formas de trabalho. • 1ª Lei da Termodinâmica • Substâncias puras, fases e suas mudanças • Tabelas de propriedades, título, entalpia, equação do gás ideal. • Análise de energia dos sistemas fechados • Calores específicos, energia interna e entalpia • Volume de Controle • Dispositivos com Escoamento em regime permanente • Balanço de energia em processo transiente • Reservatórios de energia térmica e máquinas térmicas • Segunda lei da termodinâmica • Processos reversíveis e irreversíveis Profa. Dra. Simoni M. Gheno PLANO DE ENSINO Bibliografia Básica Moran, M.J. e Shapiro, H.N., “Princípios de Termodinâmica para Engenharia”, 6ª Ed., Editora LTC, 2009. Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 2010. Çengel, Y.A. e Boles, M.A., “Termodinâmica”, 5ª Ed., Editora McGraw-Hill, 2007. Bibliografia Profa. Dra. Simoni M. Gheno Bibliografia Complementar Wylen, G.J.; Sonntag,R.E. e Borgnakke, C., “Fundamentos da Termodinâmica Clássica”, 4ª Ed., Editora Edgard Blucher, 1997. Luiz, A.M., “Termodinâmica – Teoria e Problemas Resolvidos”, 1ª Ed., Editora LTC, 2007. Potter, M.C. e Scott, E.P., “Termodinâmica” 1a Ed., Editora Thomson Learning, 2006. Smith, J.M.; Van Ness, H.C. e Abbott, M.M., “Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química”, 7ª Ed., Editora LTC, 2007. PLANO DE ENSINO …vamos começar? Profa. Dra. Simoni M. Gheno Esta Foto de Autor Desconhecido está licenciado em CC BY-SA-NC http://learning-otb.com/index.php/experience https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Conceitos Fundamentais Profa. Dra. Simoni M. Gheno ? Conversão de energia na forma de calor em potência mecânica A Termodinâmica existe desde a criação do universo, mas somente surgiu como ciência após a 1ª construção dos motores a vapor na Franca, por Thomas Savery (1697) e Thomas Newcomen (1712). A energia e suas transformações são regidas pelas Leis da Termodinâmica: 1ª e 2ª Leis as quais serão estudadas nesse semestre. Afinal, o que é Termodinâmica? Algumas Áreas de Aplicação da Termodinâmica Profa. Dra. Simoni M. Gheno Energia solar Fonte: Fig 1.14: Çengel, 5 ed. Energia eólica Fonte: Fig 1.13: Çengel, 5 ed. Áreas de Aplicação da Termodinâmica Profa. Dra. Simoni M. Gheno Refrigeração e Ar Condicionado Profa. Dra. Simoni M. Gheno Ar condicionado automotivo Algumas Áreas de Aplicação da Termodinâmica Motores de combustão Profa. Dra. Simoni M. Gheno Geração de energia Algumas Áreas de Aplicação da Termodinâmica Áreas de Aplicação da Termodinâmica Profa. Dra. Simoni M. Gheno Central termoelétrica a vapor Fonte: Fig 1.14: Sonntag, 5 ed. 13 14 Conceitos Fundamentais Profa. Dra. Simoni M. Gheno Um sistema termodinâmico é uma região do espaço ou uma porção de fluido limitada por fronteiras reais ou imaginárias que o separam da vizinhança. Fonte: Fig 1.19: Çengel, 5 ed. Vizinhança – tudo que é externo ao volume de controle. Fronteira – superfície real ou imaginária que separa o sistema da vizinhança. A fronteira não tem espessura, volume ou massa. Estado Termodinâmico Profa. Dra. Simoni M. Gheno O estado termodinâmico representa a sua condição física determinada pelas moléculas que o compõe. Ele pode ser identificado ou observado em função das suas propriedades macroscópicas como por exemplo: pressão, temperatura, volume específico. Quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema é alterado, dizemos que ocorreu uma mudança de estado. Exemplo: A água pode existir sob várias formas e diversos estados termodinâmicos. 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. Conceitos Fundamentais Profa. Dra. Simoni M. Gheno Sistema Fechado (massa de controle) - É aquele em que o fluxo de massa através das fronteiras do sistema é nulo. O fluxo de energia em forma de calor ou trabalho pode ou não cruzar a fronteira. Em um sistema fechado a massa não pode ultrapassar as fronteiras de um sistema fechado, mas a energia pode. Fonte: Fig 1.20: Çengel, 5 ed. Sistema fechado com fronteira móvel. Fonte: Fig 1.21 Çengel, 5 ed. Sistema isolado ocorre nos modelos que o fluxo de calor e o trabalho são nulos Conceitos Fundamentais Profa. Dra. Simoni M. Gheno Sistema Aberto – é aquele em que existe fluxo atravessando a fronteira do sistema. É também conhecido como volume de controle (V.C.) e será objeto de estudo em aulas futuras. O V.C. inclui dispositivos que envolvem fluxo de massa, como um compressor, uma turbina um bocal, um aquecedor de água, por exemplo. Tanto a massa quanto a energia podem cruzar a fronteira de um V.C. Fonte: Fig 1.22: Çengel, 5 ed. V.C. com fronteira real e imaginária. V.C. com fronteira fixa e móvel Propriedades de um Sistema Profa. Dra. Simoni M. Gheno Qualquer característica de um sistema é denominado propriedade. Algumas propriedades são temperatura T, pressão P, volume V e a massa m. Existem outras importantes propriedades que vamos estudar ao longo da disciplina. De forma geral elas são classificadas como extensivas e intensivas. As propriedades intensivas são aquelas na qual seus valores são independentes da massa do sistema. Um exemplo disso é temperatura, pressão, densidade,... As propriedades extensivas são valores que dependem do tamanho – ou extensão do sistema. Um exemplo disso é a massa, volume, energia, ... Fonte: Fig 1.24: Çengel, 5 ed. Propriedades de um Sistema Profa. Dra. Simoni M. Gheno As propriedades extensivas por unidade de massa são chamadas de propriedades específicas. Densidade (): Volume específico (v) :𝑣 = 𝑉 𝑚 = 1 𝜌 𝜌 = 𝑚 𝑉 Geralmente a densidade de uma substância depende da temperatura e da pressão. A densidade da maioria dos gases é proporcional à pressão e inversamente proporcional è temperatura. Os líquidos e sólidos são substânciasessencialmente incompressíveis e a variação de suas densidades com a pressão são geralmente desprezíveis. Exemplo: água a 20º C e 1 atm: =998kg/m3 água a 20º C e 100 atm: =1003kg/m3 Densidade de substâncias comuns Profa. Dra. Simoni M. Gheno Fonte: Fig 1.8 Sonntag, 5 ed. Um tanque está cheio de óleo cuja densidade é 850kg/𝑚3. Se o volume do tanque for 2𝑚3, determine a massa de óleo contida no tanque. Solução: O óleo é um líquido e portanto considerado como incompressível, logo, nessas condições apresentadas no problema, sua densidade é constante. Exemplo 1 Por onde começamos? Profa. Dra. Simoni M. Gheno Fonte: Fig 1.14: Çengel, 5 ed. 𝜌 = 𝑚 𝑉 𝑅𝑒𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜: 𝑚 = 𝜌𝑉 𝑚 = 850 𝑘𝑔 𝑚3 2𝑚3 𝑚 = 1700𝑘𝑔 Processos e Ciclos Profa. Dra. Simoni M. Gheno Processo é toda a mudança pela qual um sistema passa quando sai de um estado de equilíbrio para outro. A série de estados pelos quais o sistema passa durante o processo é chamada de percurso do processo. Para descrever um processo é preciso especificar os estados inicial e final, bem como o percurso que ele segue, além das interações com a vizinhança. Fonte: Fig 1.32: Çengel, 5 ed. Processos e Ciclos Profa. Dra. Simoni M. Gheno O prefixo iso é usado para designar um processo no qual uma propriedade permanece constante. Existem 4 processos elementares em que se mantém constante um parâmetro termodinâmico e que são de suma importância no estudo das máquinas térmicas: ✓ processo isobárico (p = cte) ✓ processo isocórico (V = cte) ✓ processo isotérmico (T = cte) ✓ processo adiabático - isoentrópico (dQ = 0) Os processos fechados ocorrem em ciclos. Um ciclo é uma sucessão de processos onde o estado final se confunde com o estado inicial. Um sistema executa um ciclo quando ele retorna ao estado inicial ao final de um processo, ou seja, para um ciclo, os estados inicial e final são idênticos. O vapor (água) que circula em uma instalação termoelétrica a vapor executa um ciclo. Processos e Ciclos Profa. Dra. Simoni M. Gheno Deve ser feita uma distinção entre um ciclo termodinâmico, descrito anteriormente, e um ciclo mecânico. Um motor de combustão interna de 4 tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. Entretanto, o fluido de trabalho não percorre um ciclo termodinâmico no motor, uma vez que o ar e o combustível reagem e, transformados em produtos de combustão, são descarregados na atmosfera. Processos em Regime Permanente Profa. Dra. Simoni M. Gheno Em um processo em regime permanente (estacionário) ou uniforme são usados frequentemente em Engenharia. O termo regime permanente implica nenhuma modificação com o tempo. Em contraposição, o regime transiente é temporário. O termo regime uniforme implica em nenhuma variação espacial. Os dispositivos que operam em regime permanente são aqueles nos quais trabalham longos períodos sob as mesmas condições. Os processos que envolvem tais dispositivos normalmente são representados por um processo idealizado chamado de processo em regime permanente – processo durante o qual um fluido escoa através de um volume de controle (V.C.) em regime permanente. Fonte: Fig 1.33: Çengel, 5 ed. Profa. Dra. Simoni M. Gheno Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica Lei Zero da Termodinâmica – Se um sistema A está em equilíbrio térmico com um sistema B e se B está em equilíbrio térmico com C, então A está em equilíbrio térmico com C. TA=TC TA=TB TC=TB se e então A A C C B B A Lei zero foi formulada por R.H.Fowler, em 1931, e seu princípio físico foi reconhecido meio século depois da formulação da 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica. A lei zero da termodinâmica estabelece que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. Profa. Dra. Simoni M. Gheno Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica Quando dois sistemas estão à mesma TEMPERATURA não haverá interação CALOR e consequente transferência de energia: Equilíbrio térmico Fonte: Fig 1.35: Çengel, 5 ed. Profa. Dra. Simoni M. Gheno Escalas de temperatura Para definir a temperatura é comum utilizar termômetros. No sistema internacional as unidades que podem ser utilizadas as escalas: • Celsius (C) – astrônomo sueco A. Celsius (1702 a 1744) • Fahrenheit (F) – fabricante de instrumentos alemães Daniel G. Fahrenheit (1686 a 1736) • Kelvin (K) – Lord Kelvin (1824 a 1907) • Rankine (R) – Willian Rankine (1820 a 1872) Profa. Dra. Simoni M. Gheno Escalas de temperatura TR = TF + 460 TR = 1,8 TK TC = TK - 273 𝑇𝐹 = 9 5 𝑇𝐶 + 32 Tk = Tc + 273 A temperatura de referência recebe o nome de temperatura do zero absoluto, formando as escalas absolutas de temperatura, como a escala Kelvin (SI) e, a escala Rankine (Sistema Inglês). Profa. Dra. Simoni M. Gheno A temperatura é a medida da quantidade de energia cinética molecular da substância ou a sua agitação molecular e, quanto maior esse estado, maior a temperatura. Temperatura e calor são, muitas vezes, utilizados como sinônimos, apesar de serem conceitualmente diferentes. Calor (ou energia térmica) relaciona a energia que se transfere de um objeto para outro devido a uma diferença de temperatura. IMPORTANTE ! Temperatura Exemplo 2 Solução: Por onde começamos? Profa. Dra. Simoni M. Gheno Um ser humano pode apresentar um estado febril quando a sua temperatura atinge 37℃. Qual seria a temperatura equivalente nas escalas Fahrenheit e Kelvin? Escala Fahrenheit: 𝑇𝐹 = 9 5 𝑇𝐶 + 32 = 9 5 37 + 32 = 1,8 37 + 32 𝑻𝑭 = 𝟗𝟖, 𝟔 F Escala Kevin: 𝑇𝐾 = 𝑇𝐶 + 273 = 37 + 273 𝑻𝑲 = 𝟑𝟏𝟎𝑲 Escala Rankine: 𝑇𝑅 = 𝑇𝐹 + 460 = 98,6 + 460 𝑻𝑹 = 𝟓𝟓𝟖𝑹 ou ainda: 𝑇𝑅 = 1,8 𝑇𝐾 = 1,8(310) 𝑻𝑹 = 𝟓𝟓𝟖𝑹 Vamos converter os dados de Temperaturas nas escalas solicitadas Exemplo 3 Solução: Por onde começamos? Profa. Dra. Simoni M. Gheno Durante um processo de aquecimento, a temperatura de um sistema se eleva em 10℃. Expresse essa elevação de temperatura em K e R? As variações de temperatura em escala Celsius e Kelvin são iguais: ∆T K = ∆T C = 10K Escala Rankine: ∆T R = 1,8∆T K = 1,8 10 = 18R Avaliando as variações de temperaturas com as respectivas escalas. Formas de Energia Profa. Dra. Simoni M. Gheno O termo energia foi criado em 1807 por Thomas Young e seu uso na Termodinâmica foi proposto em 1852, por Lord Kelvin. A energia pode existir em inúmeras formas: térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica magnética, química, nuclear. A soma delas se constitui na energia total (E) de um sistema que também pode ser escrita em base de unidade de massa (e): e = E m A Termodinâmica trata apenas da variação da energia total, a qual representa um dos grandes problemas a ser resolvido em Engenharia. Nome da disciplina 35 Formas de Energia Profa. Dra. Simoni M. Gheno Uma quantidade de massa macroscópica pode possuir energia na forma de energia interna - inerente a sua estrutura interna, energia cinética - decorrência de seu movimento e energia potencial - associada às forças externas que atuam sobre ela. Para a termodinâmica, três energias são altamente abordadas em seus estudos: a energia cinética, a energia potencial e, em especial, a energia interna (𝑈). Formas de Energia Profa. Dra. Simoni M. Gheno A energia total do sistema é definida por, 𝐸 = 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 + 𝑈 𝐸 = 𝑚𝑣2 2 + 𝑚𝑔ℎ + 𝑈 Legenda E: energia do sistema EC: energia cinética EP: energia potencia U: energia interna m:massa v: velocidade h: altura g: aceleração da gravidade energia cinética (𝐸𝐶) 𝐸𝐶 = 𝑚 ∙ 𝑣2 2 potencial (𝐸𝑃) 𝐸𝑃 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ 𝑒 = 𝑣2 2 + 𝑔ℎ + 𝑈 Formas de Energia Profa. Dra. Simoni M. Gheno 𝐸 = 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 + 𝑈 Interpretação da Energia Interna Profa. Dra. Simoni M. Gheno A energia interna está vinculada com a estrutura molecular e a vibração das moléculas de um sistema. A temperatura influencia diretamente a energiainterna, afinal o movimento das moléculas aumenta ou diminui com a variação da temperatura. Muitas vezes a energia cinética e potencial são desprezadas para a termodinâmica e apenas a energia interna é interessante. Energia Mecânica Profa. Dra. Simoni M. Gheno Existem inúmeros projetos de engenharia para transportar fluidos de um lugar para outro a uma determinada vazão (Q), velocidade (v) e a diferenças de alturas especificadas e o sistema pode produzir trabalho mecânico, como por exemplo em um turbina ou pode consumir trabalho mecânico em uma bomba ou ventilador durante um processo. i. Esses sistemas não envolvem conversão de energia nuclear, química ou térmica em energia mecânica. ii. Não há transferência de calor significativa iii.Sistemas operam essencialmente à temperatura constante. Nesses sistemas são analisados apenas as formas mecânicas de energia e os efeitos de atrito que causam a perda de energia mecânica Energia Mecânica Profa. Dra. Simoni M. Gheno A energia mecânica pode ser definida como a forma de energia que pode ser convertida completa e diretamente em trabalho mecânico por um dispositivo mecânico ideal, como uma turbina, por exemplo. As energias cinética e potencial são formas conhecidas de energia mecânica. Energia térmica não é energia mecânica, uma vez que não pode ser convertida direta e completamente em trabalho (2ª Lei da Termodinâmica – a ser estudada). Importante: i. Uma bomba transfere energia mecânica para um fluido elevando sua pressão ii. Uma turbina extrai energia mecânica de um fluido diminuindo sua pressão. iii.A pressão de um fluido escoando está associada a energia mecânica. A pressão por si só não é uma forma de energia, mas a pressão agindo sobre um fluido ao longo de uma distância produz trabalho (trabalho de escoamento) Exemplo 4 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Um local que foi avaliado para a instalação de uma estação eólica tem ventos estáveis de velocidade 8,5m/s. Determine a energia do vento por unidade de massa. Fonte: Fig 1.35: Çengel, 5 ed. Solução: Por onde começamos? A única forma de energia aproveitada do ar para esse fim é a energia cinética, a qual será capturada pela turbina eólica. 𝐸 = 𝑚 𝑣2 2 𝑒 = 𝑣2 2 = (8,5 𝑚 𝑠 )2 2 = 36,12 𝑚2 𝑠2 𝐽 𝑘𝑔 = (𝑁.𝑚) 𝑘𝑔 = ( 𝑘𝑔.𝑚 𝑠2 𝑚) 𝑘𝑔 = 𝑚2 𝑠2 Vamos trabalhar as unidades??? 𝑒 = 36,12 𝐽 𝑘𝑔 Exemplo 5 Solução: Profa. Dra. Simoni M. Gheno 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 geração de potência de uma turbina eólica com pás de 60 m de diâmetro naquele local. Admita uma densidade do ar de 1,25 kg/m³. 𝐸 = 𝑚 𝑣2 2 𝑒 = 𝑣2 2 = (10 𝑚 𝑠 ) 2 2 = 50 𝑚2 𝑠2 𝐞 = 𝟓𝟎 𝐉 𝐤𝐠 → Dado o diâmetro da turbina, a área de circulação de ar é 𝐴 = 𝜋 𝐷 2 2 𝐀 = 𝟐. 𝟖𝟐𝟑𝒎𝟐→ Agora podemos calcular a vazão do ar 𝑄 = 𝑣 ⋅ 𝐴 𝑸 = 𝟐𝟖. 𝟐𝟑𝟎𝒎𝟑/𝐬→ Multiplicando a vazão pela densidade, tem-se a vazão em massa: ሶ𝒎 = 𝝆 ⋅ 𝑸 = 𝟑𝟓. 𝟐𝟖𝟕 𝐤𝐠/𝐬 Potencial de geração de energia cinética nessa área é: 𝑷 = ሶ𝒎 ⋅ 𝒆 = 𝟏, 𝟖 𝐌𝐖 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Vamos testar o conhecimento utilizando um quiz? https://forms.office.com/Pages/ResponsePage.aspx?id=jOaT0T_lEEambVb_MA_seo9 nJWU5WL1Bs4vXT2ZjMPJUQ0EySjRSTzExNDY3VkhOTjMySzhFWTc2My4u 1º QUIZ ! 45Profa. Dra. Simoni M. Gheno https://unipead- my.sharepoint.com/:f:/g/personal/simoni_gheno_docente_unip_br/Egch8olfOlNAlkxVfzktz_MBayTtAv5- JOARpQhZ9p537A?e=W8xerG Exercício 1 Profa. Dra. Simoni M. Gheno Um rio que escoa a uma vazão constante de 240 m³/s é considerado para a geração de energia hidrelétrica. É decidido que uma barragem pode ser construída para coletar água e libertá-la mediante uma diferença de altura de 50 m para gerar energia. Determine qual a potência que pode ser gerada com á água desse rio após o preenchimento da barragem. (Çengel, 5 ed, problema 2-13) (a) 45MW (b) 78 MW (c) 93 MW (d) 118 MW (e) 136 MW Resposta: (d) Exercício 2 Uma pessoa toma um elevador ao nível do saguão de um hotel carregando uma mala de 30 kg e desce no 10° andar 35 m acima. Determine a quantidade de energia consumida pelo motor do elevador que agora está armazenada na mala. (Çengel, 5 ed, problema 2- 14). (a) 6125 J (b) 8634 J (c) 9128 J (d) 9876 J (e) 10290 J Resposta: (e) Profa. Dra. Simoni M. Gheno
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