REF - Capítulo 2 - Fundamentos de Termodinâmica

Prévia do material em texto

Capítulo 2 – Fundamentos da Termodinâmica
Refrigeração
Industrial 
Prof.: Juvenil N. de Oliveira Jr.
2.1 O Sistema SI
2.2 Unidades Fundamentais do SI
2.3 Unidades Derivadas do SI
2.4 Prefixos do SI
2.5 Conversão de unidades
2.6 Algumas constantes do SI
2.7 Diagrama Pressão-Entalpia
2.8 A utilização das tabelas termodinâmicas
2.9 O ciclo de refrigeração CARNOT
2.10 Coeficiente de eficácia COP
Capítulo 2 – Fundamentos da Termodinâmica
2.1 O sistema SI
O Sistema Internacional de Unidades, popularmente designado por SI, é adotado em praticamente todos países do mundo na atualidade.
Mesmo os mais recentes, como os Estados Unidos da América, estão rapidamente se convertendo ao Sistema SI.
2.1 O sistema SI
Infelizmente, o meio técnico é obrigado a conviver com equipamentos, especificações e normas desenvolvidos em outros sistemas, como: o inglês e o técnico.
Sistema “inch-pound”
2.2 Unidades Fundamentais do SI
Unidades Fundamentais: são aquelas que apresentam definição precisa e formam a base de quantificação dos fenômenos físicos. Ao se agruparem passam a constituir as unidades derivadas.
O estudo de Refrigeração Industrial será feito também utilizando o sistema inglês, tendo em vista seu uso corrente ainda existente.
2.2 Unidades Fundamentais do SI
Existem sete unidades básicas do SI, descritas na tabela abaixo. A partir delas, podem-se derivar todas as outras unidades existentes. As unidades básicas do SI são dimensionalmente independentes entre si.
2.3 Unidades Derivadas do SI
Todas as unidades existentes podem ser derivadas das unidades básicas do SI.
Entretanto, consideram-se unidades derivadas do SI apenas aquelas que podem ser expressas através das unidades básicas do SI e sinais de multiplicação e divisão, ou seja, sem qualquer fator multiplicativo ou prefixo com a mesma função. 
2.3 Unidades Derivadas do SI
A unidade de Força é definida pela segunda lei de Newton:
Força = massa X aceleração
A unidade de energia é o joule, resultado da aplicação de uma força através de um distância:
2.4 Prefixos do SI
Abaixo temos os prefixos para múltiplos e submúltiplos das unidades.
Por exemplo, 1/1000 de um ampère é um miliampère representado por mA
2.5 Conversão de Unidades
Unidades de comprimento
2.5 Conversão de Unidades
Medidas de áreas
2.5 Conversão de Unidades
Medidas de massa
Medidas de volume
2.5 Conversão de Unidades
Medida de tempo
Medidas de força
2.5 Conversão de Unidades
Medidas de Energia
Medidas de Potência
2.5 Conversão de Unidades
Medidas de Pressão
Medidas de viscosidade 
 Dinâmica
2.5 Conversão de Unidades
Medidas de Temperatura
2.6 Algumas constantes importantes do SI
Algumas constantes são de uso frequente, razão pela qual seus valores no SI são apresentados a seguir:
²
2.6 Algumas constantes importantes do SI
Exemplo: 
Qual deve ser a massa de ar numa sala de 6 x 9 x 3 m se a temperatura do ar é de 25°C e a pressão barométrica local é de 101,3 kPa?
2.7 O diagrama pressão-entalpia
O diagrama pressão-entalpia é o mais utilizado na correlação das propriedades termodinâmicas dos refrigerantes.
Nesse diagrama, são incluídas as linhas isotérmicas, isoentrópicas e isocóricas.
2.7 O diagrama pressão-entalpia
A entalpia é uma propriedade termodinâmica definida pela seguinte relação:
Onde:
u= energia interna kJ/kg
p = pressão, kPa
v = volume específico m³/kg
2.7 O diagrama pressão-entalpia
As distintas fases do refrigerante no diagrama pressão-entalpia são caracterizadas por estados situados em regiões separadas pelas linhas de saturação.
Representação esquemática da condição de saturação.
2.7 O diagrama pressão-entalpia
A linha à esquerda do ponto representativo do estado crítico no diagrama corresponde aos estados de líquido saturado.
A linha à direita representa os estados de vapor saturado.
2.7 O diagrama pressão-entalpia
A região côncava do diagrama p-h representa os estados em que ocorre a mistura líquido-vapor em equilíbrio, numa proporção de vapor que varia linearmente de 0% na linha de líquido saturado, até 100% na linha de vapor saturado.
2.7 O diagrama pressão-entalpia
A região à esquerda da linha de líquido saturado é representativa dos estados de líquido subresfriado (ou comprimido), ao passo que a região à direita da linha de vapor saturado corresponde aos estados de vapor superaquecido.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Nesta seção, a avaliação das propriedades termodinâmicas será abandonada para dar início ao estudo dos ciclos termodinâmicos, os quais envolvem um procedimento para a obtenção de refrigeração de maneira contínua.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Tal procedimento consiste em fazer com que um fluido, denominado refrigerante, passe por uma série de processos, retornando ao estado inicial. Um desses processos envolve a remoção de calor de um ambiente a baixa temperatura.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Dentre os possíveis ciclos frigoríficos, o de Carnot se destaca por se tratar de um ciclo ideal (reversível) que opera entre dois níveis de temperatura e, portanto, aquele que apresenta a maior eficiência.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Os componentes de um ciclo de Carnot são mostrados abaixo, incluindo um compressor, dois trocadores de calor e um motor térmico (turbina). 
29
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Esses componentes estão relacionados aos seguintes processos termodinâmicos:
1  2 – Compressão adiabática e reversível (sem atrito);
2  3 – Rejeição de calor a temperatura constante;
3  4 – Expansão adiabática e reversível em um motor térmico;
4  1 – Remoção isotérmica de calor de um ambiente a baixa temperatura.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Em um diagrama T-s, as áreas sob as linhas que representam processos reversíveis correspondem ao calor trocado no processo. Assim, a área sob o processo 2 – 3 (isotérmico), representa o calor rejeitado naquele processo, ao passo que a área sob a curva 4 – 1 é igual ao calor removido do ambiente a baixa temperatura.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
O ciclo de Carnot em um diagrama temperatura-entropia.
2.9 O ciclo de refrigeração de Carnot
Exemplo:
Em um ciclo de Carnot, os processos ocorrem às seguintes temperaturas e entropias:
				
	
Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo?
2.10 O coeficiente de eficácia (COP)
A eficiência de ciclos é normalmente definida como a relação entre a energia útil, que é o objetivo do ciclo, e energia que deve ser paga para a obtenção do efeito desejado.
Assim, a eficiência, denominada neste caso de Coeficiente de Eficácia, COP, pode ser determinada pela seguinte relação: