Fundamentos De Calorimetria E Termodinâmica(EMC103)-Aula 03

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FUNDAMENTOS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA
TUTOR: ÍCARO J. R. QUEVEDO
CALOR
Quando um bloco de cobre quente é mergulhado em um recipiente contendo água fria, por experiência, sabe-se que este bloco esfria enquanto a água aquece, até que os dois elementos atinjam a mesma temperatura. O que faz com que haja o aumento da temperatura da água e a diminuição da temperatura do cobre é resultado da transferência de energia do bloco de cobre para a água. A partir desse conceito de transferência de energia, é possível definir calor.
CALOR
O calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, em uma dada temperatura, para outro sistema (ou ambiente), que apresenta uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema com temperatura superior ao sistema que apresenta temperatura inferior e a transferência de calor ocorre unicamente em razão da diferença entre as temperaturas dos dois sistemas.
CALOR
Por convenção é considerado positivo quando o calor é transferido para um sistema e negativo quando é transferido de um sistema. Dessa forma, a transferência de calor positiva corresponde a um aumento de energia no sistema e uma transferência negativa implica em uma diminuição de energia no sistema. A representação do calor é feita pelo símbolo Q. Assim, um processo no qual não há transferência de calor (Q = 0) é designado como sendo um processo adiabático.
TRANSFERENCIA DE CALOR
A transferência de calor é o transporte de energia em virtude da diferença de temperatura entre quantidades de matéria. É sabido que ao retirar um cubo de gelo de um congelador, este derreterá ao ser colocado em um local mais quente, que pode ser um copo de água líquida ou simplesmente sobre uma superfície, exposto ao ar ambiente. 
CONDUÇÃO
Se sabe que as moléculas da matéria possuem energia translacional cinética, vibracional e rotacional. Nesses modos, a energia pode ser transferida às moléculas vizinhas através de interações (colisões) ou através de intercâmbio de moléculas, de forma que as moléculas que possuem, em média, maior energia (temperatura mais alta), transferem energia para as moléculas que têm, em média, menor energia (temperatura mais baixa). 
CONDUÇÃO
Essa transferência de energia entre moléculas é conhecida como transferência de calor por condução, sendo que quanto maior a diferença de temperatura, maior a transferência de calor. Esse modo de transferência de energia é representado pela lei de Fourier para a condução:
CONVECÇÃO
Outro modo de transferência de calor é aquele que ocorre por meio do escoamento e é denominado transferência de calor por convecção. Nesse modo de transferência, o escoamento (movimento da substância) desloca matéria contendo certo nível de energia próxima ou sobre uma superfície com uma temperatura diferente da matéria em escoamento. Nesse modo de transferência, o calor transferido por condução é determinado pela forma como as duas substâncias (fluido e superfície) que escoam, interagem. 
CONVECÇÃO
Podem ser citados como exemplos de transferência de calor por convecção o vento soprando sobre um edifício ou escoando em trocadores de calor, que pode ser ar passando através de um radiador com água passando na tubulação. Essa troca de calor é geralmente expressa pela lei de Newton do resfriamento:
CONVECÇÃO
Na qual h é o coeficiente de transferência de calor por convecção e é onde estão agrupadas as propriedades de transferência por convecção. No caso, h é função das propriedades físicas médias do fluido que escoa, da geometria e do escoamento.
RADIAÇÃO
O modo de transferência de calor por radiação, que é o modo de transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas no espaço. Para ocorrer a transferência de calor por radiação é necessário um meio material para que ocorra tanto a emissão, quanto a absorção de energia, porém, a transferência de calor pode ocorrer no vácuo e não requer a presença de matéria.
RADIAÇÃO
Em que Ts corresponde à temperatura da superfície e σ à constante de Stefan-Boltzmann. Os valores comuns para a emissividade se encontram em 0,92 para superfícies não metálicas e 0,6 a 0,9 para superfícies metálicas não polidas, e podem chegar ao valor de menos de 0,1 para superfícies metálicas altamente polidas.
EXERCICIO
É muito comum o amplo uso de aparelhos de ar-condicionado durante o verão intenso do Recife. Nessa cidade, uma residência possui uma parede, de área 40 m² e espessura 20 cm, separando o ambiente interior do exterior. Se a temperatura externa é de 33 ºC, e deseja-se manter a interna igual a 23 ºC, qual será o gasto, por hora, de aparelho ligado, considerando-se, apenas, essa parede separadora?
Dados: A condutividade térmica da parede é igual a 1,25.10-3 kW/mK (1,25.10³ W/K), e o custo da energia elétrica, em kWh, é de R$ 0,60.
EXERCICIO RESOLVIDO
Fator de conversão de °C para Kelvin: °C+273,15
Q= -k*A*(T2 - T1)/x
Q= (-1,25*10³ W/K) *40m² * (10 K)/0,2m
Q= 2.500 kW
Gasto de R$1,50/hora
MOTORES TÉRMICOS
O uso do termo motor térmico é empregado de forma geral e inclui dispositivos que geram trabalho, mas não realizam um ciclo termodinâmico. Como exemplos de máquinas nesta categoria, podemos citar os motores de combustão interna (de automóveis, por exemplo) e turbinas a gás. O ciclo que estes equipamentos realizam não é um ciclo termodinâmico, mas um ciclo mecânico, visto que o fluido de trabalho (gases de combustão) não realiza um ciclo completo. Nestes casos, os gases de combustão acabam por serem liberados e substituídos pela mistura de combustível e ar ao final do ciclo, ao invés de serem resfriados até a temperatura inicial.
MOTORES TÉRMICOS
Um equipamento ou instalação que mais se aproxima da definição de motor térmico é a usina a vapor, que é um dispositivo de combustão externa. Isto é, a combustão ocorre externamente ao dispositivo e a energia térmica liberada durante esse processo se transfere sob a forma de calor para o vapor.
EFICIÊNCIA TÉRMICA
Eficiência pode ser definida pela razão do que é produzido (energia pretendida) com o que é utilizado (energia gasta), porém essas quantias devem ser definidas de forma clara. Basicamente, em um motor térmico, a energia pretendida é o trabalho e a energia gasta é o calor transferido de uma fonte à alta temperatura (acarreta custos e representa os gastos com combustíveis).
REFRIGERADORES
o calor é transferido no sentido da maior temperatura para a menor temperatura. Isso ocorre normalmente na natureza sem a interferência de qualquer dispositivo. No entanto, o processo inverso não ocorre espontaneamente. Os dispositivos responsáveis por realizar essa transferência de calor de um meio à baixa temperatura para um meio à alta temperatura são denominados refrigeradores.
REFRIGERADORES
Tal qual as máquinas térmicas, os refrigeradores são dispositivos cíclicos. O fluido de trabalho utilizado no ciclo de refrigeração é denominado refrigerante. Utiliza-se com mais frequência o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, o qual conta com quatro principais componentes: um condensador, uma válvula de expansão, um evaporador e um compressor.
REFRIGERADORES
REFRIGERADORES
O refrigerador, conhecido como bomba de calor, é um equipamento que opera conforme um ciclo no qual precisa de trabalho para obter transferência de calor de um corpo à baixa temperatura para um corpo à alta temperatura.
REFRIGERADORES
Da mesma forma que é possível determinar a eficiência de um motor térmico, também podemos expressar a eficiência térmica de um refrigerador em termos de coeficiente de desempenho, que é representado pelo símbolo β. No caso de um refrigerador, o objetivo (ou seja, a energia pretendida) é QL, o calor transferido do espaço refrigerado, e a energia gasta é o trabalho, W.
EXERCICIO
Um refrigerador doméstico consome, durante seu acionamento, uma potência elétrica de 175 W. Determine o COP ( coeficiente de desempenho ) do refrigerador e a taxa de calor no espaçorefrigerado, considerando que o equipamento transfere para o ambiente 550 W.
Taxa de calor no espaço refrigerado = 550W - 175W = 375W
 375W / 550W - 375W
 COP = 2,14
SEGUNDA LEI DA TERMODINAMICA
O enunciado de Kelvin-Planck para a segunda lei da termodinâmica afirma o seguinte: “É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo cujo único efeito é levar energia de uma fonte de calor e convertê-la para o trabalho”.
O enunciado de Clausius para a segunda lei da termodinâmica afirma o seguinte: “É impossível construir um dispositivo que opere segundo um ciclo e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente”.