Termodinâmica Aplicada - AULA 1Revisão

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Termodinâmica 
Aplicada
Profa Dra. Simoni M. Gheno
simoni.gheno@docente.unip.brAula 1R 
4ª feira
19h10-20h25
20h45-22h00
intervalo
20h25 as 20h45
mailto:Simoni.gheno@docente.unip.br
Objetivos
Entropia
Compreensão dos princípios da 2ª Lei da 
Termodinâmica para uso em aplicações em 
sistemas térmicos
Desenvolvimento do 
raciocínio dedutivo para 
melhor aplicar os conceitos 
de Energia Térmica.
O quê?
Por que?
Como?
Exergia
Sistemas de Potência a Vapor e de Refrigeração
O quê?
Por que?
Através das nossas aulas: 
teoria, exemplos e 
exercícios.
Como?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Conteúdo Programático
2ª Lei da Termodinâmica. Aplicação da 2ª Lei da Termodinâmica para Sistemas 
Fechados e aplicada a Volume de Controle.
Entropia. Identificando irreversibilidades. Processos isentrópicos. Variação de 
entropia para gases ideais. Eficiência isentrópica.
Apresentação e Conceituação de Exergia. Variação da Exergia de um Sistema. 
Transferência de exergia por calor, trabalho e fluxo de massa. Balanço de 
Exergia para Sistema Fechado e Volume de Controle. 
Ciclo a Vapor de Carnot. Ciclo de Rankine Ideal. Ciclo de Refrigeração por 
compressão ideal.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Bibliografia
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 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.
https://livrosemissao.blogspot.com/2017/05/aprenda-ler-30-livros-por-ano.html
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
…voltando no tempo…
Vamos relembrar alguns
conceitos importantes que 
vocês aprenderam em
Termodinâmica Básica?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Conceitos Fundamentais
Sistema Fechado
É aquele em que o fluxo de massa
através das fronteiras do sistema é nulo.
Um sistema termodinâmico é uma região do espaço ou uma porção de fluido limitada por
fronteiras reais ou imaginárias que o separam da vizinhança.
Em um sistema isolado a massa 
não pode ultrapassar as fronteiras 
de um sistema fechado, mas a 
energia pode.
Fonte: Fig 1.20: Çengel, 5 ed.
Sistema isolado ocorre nos modelos que
o fluxo de calor e o trabalho são nulos
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.
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.
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.
Quando dois sistemas estão à mesma TEMPERATURA não haverá interação CALOR e
consequente transferência de energia: Equilíbrio térmico
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
TA=TC
TA=TB
TC=TB
se
e
então
A
A
C
C
B
B
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 e Lei Zero da Termodinâmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Calor, trabalho e energia
A energia pode atravessar o limite de um sistema fechado em duas formas distintas: calor e
trabalho
Fonte: Figura 2.13, Çengel
CALOR (Q) é definido como a quantidade de energia transferida estre sistemas
como consequência da diferença de temperatura. Espontaneamente ocorre do
sistema de maior temperatura para o sistema de menor temperatura.
Fonte: Figura 2.14, Çengel
Mecanismos de Transferência de Calor: 
condução, convecção e radiação
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
𝑾 = 𝑷∆𝑽
Processo isobárico...... É UM PROCESSO QUE OCORRE A PRESSÃO CONSTANTE
1ª Fórmula
∆𝑽∆𝑽
Existem dois requisitos 
para que uma interação de 
trabalho exista entre um 
sistema e sua vizinhança: 
(1) Deve haver uma força 
atuando sobre a 
fronteira do sistema
(2) A fronteira do sistema 
deve ser móvel. 
Transferência de Energia por Trabalho
TRABALHO (W) é qualquer quantidade de energia transferida entre sistemas cuja causa não seja a
diferença de temperatura.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Transferência de Energia
Calor e trabalho são quantidades direcionais, dessa forma, requerem a especificação tanto da
magnitude e direção.
Convenção de sinal:
W > 0 : quando o trabalho é realizado pelo sistema 
W < 0 : quando o trabalho é realizado sobre o sistema
Q > 0: quando calor é transferido para o sistema.
Q < 0: quando calor é transferido do sistema.
Fonte: Figura 2.20, Çengel
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
1ª Lei da Termodinâmica
O cerne da termodinâmica é o estudo da energia, bem como suas transformações e
transferência.
1º Princípio da 
Termodinâmica
1º Princípio da Termodinâmica - “Estuda a energia e sua transferência em processos e ciclos
termodinâmicos, sendo uma generalização do princípio de conservação da energia”.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Pode ser expressa:
∆𝐸 = 𝑄 −𝑊
O calor e o trabalho são as únicas formas de se transferir energia para dentro ou para fora do
sistema que resultará em variações das energias interna (∆𝑈), cinética (∆𝐸𝐶) e potencial (∆𝐸𝑃),
∆𝐸 = ∆𝑈 + ∆𝐸𝐶 + ∆𝐸𝑃
Δ𝐸 = Δ𝑈
WQU −= 1a lei da Termodinâmica para Sistemas Fechados
Então
Em sistemas estacionários, não há variação da energia cinética e potencial (∆EC=∆EP=0):
1ª Lei da Termodinâmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Existe dois casos especiais para a primeira lei da termodinâmica
Caso I - Processo cíclico, o estado inicial é igual ao estado final e, toda a variação da
energia interna torna-se nula, ou seja,
∆𝑈𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑄𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 −𝑊𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜
0 = 𝑄𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 −𝑊𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜
𝑄𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑊𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜
Caso II - Quando o sistema está isolado
𝑄𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑊𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 = 0
1ª Lei da Termodinâmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
E agora, a Revisão terminou?
Ainda não… Vamos relembrar um 
pouco sobre substâncias puras, 
líquido saturado, vapor saturado, 
mistura binária e diagramas P-v-T…
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Substâncias puras
Substância pura é qualquer elemento que apresenta em toda a sua 
extensão a mesma composição química, como por exemplo, água, 
nitrogênio, oxigênio, etc.
Propriedade é qualquer grandeza que descreve 
um sistema. 
▪ São necessárias pelo menos duas 
propriedades para definir o estado de um 
sistema simples.
Estado termodinâmico representa a sua condição 
física determinada pelas moléculas que o compõe.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Mudança de fase
Várias são as situações práticas em que duas fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio:
As substâncias podem se apresentar em diferentes fases, tais como a fase sólida, líquida ou gasosa.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
mistura saturada de 
líquido-vapor
vapor 
superaquecido.
líquido 
comprimido 
Fonte: Figura 3.1: Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
Líquido
saturado
mistura 
líquido e 
vapor 
equilíbrio
vapor saturado
vapor 
superaquecido
Diagrama T-v do processo de aquecimento a Pconstante
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Título
Fonte: Figura 3.4: Van Wylen, Borgnakke,Sonntag
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
É a relação entre a massa de vapor e a massa total do 
conjunto.
vaporlíquido
vapor
mm
m
x
+
=
)vx(vvv LVL −+=
Relação de propriedades termodinâmicas usando 
o título:
u = uL + x(uV − 𝑢L)
Exemplo 1
Para cozinhar alguns vegetais, uma panela com 3 𝑘𝑔 de água a 25℃ é colocada no fogão e tampada. O
fogão será responsável por transferir calor para a água até que a sua temperatura atinja 70℃. Qual será a
quantidade de calor necessária para que a água atinja tal temperatura?
T (ºC) p(kPa)
Energia Interna 
(kJ/kg)
Líquido 
Saturado
ul
25 3,169 104,86
70 31,19 292,93
Solução
Como o volume de fluido permanece
constante (𝑊 = 0) , a primeira lei da
termodinâmica se reduz para,
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊
𝑄 = ∆𝑈
𝑄 = 𝑚(𝑢2 − 𝑢1)
𝑄 = 3𝑘𝑔 ⋅ 292,93 − 104,86 𝑘𝐽/𝑘𝑔
𝑄 = 564,21 𝑘𝐽
Como a resposta do calor é positiva, isto indica que o calor foi transferido para a água.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Tabelas de propriedades
Estados de líquido saturado e vapor saturado
As propriedades da água nos estados de líquido e vapor
saturados estão listadas nas Tabs. A–4 e A–5. Ambas as
tabelas oferecem as mesmas informações. A única diferença
é que na Tab. A–4 as propriedades estão listadas em função
da temperatura e na Tab. A–5 em função da pressão.
• sub-índice l: indicar as propriedades do líquido saturado
• sub-índice v - indicar as propriedades do vapor saturado.
• sub-índice lv: identificar a diferença entre os valores do
vapor saturado e do líquido saturado para a mesma
propriedade.
Fonte: Figura 3.28, Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Tabela de Temperatura - Estados de líquido saturado e vapor saturado
Fonte: Çengel, 5 ed.
Tabelas de propriedades
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Tabela de Pressão - Estados de líquido saturado e vapor saturado
Fonte: Çengel, 5 ed.
Tabelas de propriedades
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Estado de vapor superaquecido
A região superaquecida é monofásica (fase vapor), a temperatura e a pressão não são mais propriedades dependentes,
podendo ser usadas de forma conveniente como as duas propriedades independentes.
Fonte: Çengel, 5 ed.
Tabelas de propriedades
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Çengel, 5 ed.
Exemplo 2
Um tanque rígido contém 50 kg de água líquida saturada a 90 °C. Monte o diagrama T versus v e, determine
a pressão e o volume do tanque
Solução: o estado da água é líquido saturado. O gráfico T versus v que representa esse estado está
apresentado na Figura a seguir.
Como as condições propostas correspondem a pressão de
saturação na temperatura de 90oC, UTILIZAREMOS a Tabela A.4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A partir da tabela identificamos que a P=Psat=70,183 kPa
Para a determinação do volume solicitado vamos lembrar que temos a massa e a partir da Tabela A.4
extraímos o valor do volume específico do líquido saturado a 90oC.
𝑣 =
V
𝑚
→ 𝑉 = 𝑣 ∙ 𝑚
𝑉 = 𝑣 ∙ 𝑚 = 0,001036
𝑚3
𝑘𝑔
50𝑘𝑔
𝑉 = 0,0518𝑚3
… continuação do exemplo 2
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Exemplo 3
Uma massa de 200 g de água líquida saturada é completamente vaporizada a uma pressão constante de 100
kPa. Determine: (a) Diagrama T versus v, (b) a variação de volume.
Solução: O gráfico T versus v que representa esse estado está apresentado na Figura a seguir. Os valores de
volume específico do líquido e vapor podem ser retirados das tabelas termodinâmicas.
Fonte: Figura 3.31, Çengel
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
… continuação do exemplo 3
A variação de volume por unidade de massa durante o processo
de vaporização é vlv que é a diferença entre vv e vl.
𝑣𝑣𝑙 = 𝑣𝑣 − 𝑣𝑙
𝑣𝑣𝑙 = 1,6941 − 0,001043
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣𝑣𝑙 = 1,6931 
𝑚3
𝑘𝑔
Dessa forma:
∆𝑉 = 𝑚𝑣𝑣𝑙= 0,2𝑘𝑔 1,6931 
𝑚3
𝑘𝑔
∆𝑉 = 0,339𝑚3
Os valores de volume específico do líquido e vapor podem ser retirados das tabelas termodinâmicas.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Exemplo 4
Um tanque rígido contém 10kg de água a 90º C. Se 8kg de água
estiverem na forma líquida e o restante na forma de vapor,
determine (a) pressão no tanque e (b) volume do tanque. O
diagrama T-v está apresentado ao lado.
1. Volume de um tanque 
rígido é constante.
2. Estado: mistura saturada 
de líquido e vapor
IMPORTANTE
!
Solução
A mistura saturada se encontra a 90º C, então vamos analisar as informações que constam na tabela A.4 
Fonte: Figura 3.36, Çengel
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A partir da tabela A.4 identificamos que a P=Psat=70,183 kPa
… continuação do exemplo 4
Para a determinação do volume solicitado vamos lembrar utilizar a Tabela A.4 e
extrair valor do volume específico do líquido saturado e do vapor saturado a 90oC.
𝑣𝑙 = 0,001036
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣𝑣 = 2,3593
𝑚3
𝑘𝑔
Fonte: Figura 3.36, Çengel
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Figura 3.36, Çengel
A determinação do volume do tanque depende da determinação
do volume de cada fase: volume do líquido e volume de vapor e
somá-las.
𝑉 = 𝑉𝑙 + 𝑉𝑣
𝑉 = 4,73𝑚3
𝑉 = 𝑚𝑙𝑣𝑙 +𝑚𝑣𝑣𝑣
𝑉 = (8𝑘𝑔)0,001036
𝑚3
𝑘𝑔
+ 2𝑘𝑔 2,3593
𝑚3
𝑘𝑔
… continuação do exemplo 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Outra forma de determinar o volume nesse problema é a partir do
título
𝑣 = 0,001036
𝑚3
𝑘𝑔
+ 0,2(2,3593 − 0,001036)
𝑚3
𝑘𝑔
𝑉 = 4,73𝑚3
𝑥 =
𝑚𝑣
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑥 =
2𝑘𝑔
10𝑘𝑔
= 0,2
𝑣 = 0,473
𝑚3
𝑘𝑔
𝑣 =
𝑉
𝑚
→ 𝑉 = 𝑚𝑣 = 10𝑘𝑔(0,473
𝑚3
𝑘𝑔
)
Lembrando da definição de volume específico:
Fonte: Figura 3.36, Çengel
… continuação do exemplo 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Entalpia (H) 
Máquinas térmicas são dispositivos que transformam a
energia térmica em algum tipo de energia, por exemplo,
uma turbina transforma a energia térmica do vapor em
energia elétrica, através de um eixo rotativo.
Sempre que um dispositivo envolve um fluido de
trabalho, há o uso das propriedades termodinâmicas
𝑈 + 𝑝𝑉, a qual é definida como entalpia 𝐻
𝐇 = 𝐔 + 𝐩𝐕
ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣
Para fluido em escoamento, a entalpia indica toda a quantidade de energia útil em uma substância. A
entalpia pode ser escrita como uma variável específica (h). Assim, a entalpia específica será,
Tanto a entalpia total H quando a entalpia específica h são chamadas apenas de entalpia, uma vez que o
contexto esclarece qual deve ser usada.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Exemplo 5
Considere um pistão que mantém 3 𝑘𝑔 de água saturada, a pressão constante, em um volume de 
0,5 𝑚3. Se a temperatura da água é aumentada de 45℃ para 700℃, qual será a variação da 
entalpia?
Solução O primeiro passo é definir a entalpia inicial da água saturada.
Observe a Tabela 4 e considere a temperatura de 45℃:
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
… continuação do exemplo 5
A entalpia da fração líquida será de h1=188,42 kJ/kg, enquanto a pressão de saturação será, psat=9,593
kPa. Como a pressão está próximo de 10kPa, com o auxílio da Tabela 5 e considerando a temperatura de
700℃, a entalpia será de, h2=3929,8 kJ/kg.
Assim, a variação da entalpia será,
∆𝐻 = 𝑚 ℎ2 − ℎ1
∆𝐻 = 3 3929,9 − 188,42
∆𝐻 = 11.224,44 𝑘𝐽
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Volume de controle
Delimitação espacial, física ou imaginária, de análise (termodinâmica).
Fig.: Usina São Martinho.
Por exemplo, uma usina, como a da figura abaixo, é composta de muitos elementos.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A análise dos processos termodinâmicos em cada elemento é facilitada mediante
delimitação de volumes de controle.
Fig.: Diagrama de usina de cogeração ideal.
Volume de 
controle na 
caldeira
Volume de 
controle na 
turbina
Volume de 
controle no 
condensador
O processo termodinâmico é estabelecido mediante análise do fluxo de massa e de
energia.
Volume de controle
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
38
Agradecemos a atenção.
Bons estudos!
Profa. Dra. Simoni M. Gheno