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Escola Superior de Tecnologia – EST Universidade do Estado do Amazonas Determinação das principais propriedades termodinâmicas e Primeiro principio da termodinâmica Coordenação/curso: Tecnologia em Manutenção Mecânica. Professor: Dr.C. Leonardo Aguiar Trujillo Escola Superior de Tecnologia – EST Plano de Ensino Determinação das principais propriedades termodinâmicas e Primeiro principio da termodinâmica Objetivo: Determinar as principais propriedades termodinâmicas e aplicação do Primeiro principio da termodinâmica. Leis da termodinâmica Lei cero da termodinâmica: estabelece o equilibro térmico entre os corpos. Primeira lei da termodinâmica: lei de conservação da massa e a energia. Segunda lei da termodinâmica: estabelece a quantidade de energia que é absorvida no sistema e os processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade da energia. Terceira lei da termodinâmica: Mediante uma serie finita de processos, a entropia de um sistema não se pode reduzir-se a sua entropia no ponto zero absoluto. Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: Diferentes Propriedades do sistema: Propriedades extensiva. Massa, Volume, número de moles, Energia interna (kJ), Entropia (kJ/K), Energia libre (kJ), Entalpia (kJ), etc. Propriedades intensiva). Pressão, Densidade, Temperatura, Peso específico, Volume especifico, Quantidade de movimento, Energia interna (kJ/kg). Entalpia (kJ/kg), Entropia (kJ/kgK), etc. Propriedades fundamentais da termodinâmica: Calor (Q): é a forma de energia transferida entre dois sistemas ou sua vizinhança em virtude da diferencia de temperatura. O calor é transferido por: Condução. Convecção. Radiação. Trabalho (W): é a transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distancia. Para variar a energia interna (ΔU) de um sistema é necessário: Realizar um trabalho (W): realizado sobre o sistema (compressão e ΔU > 0) ou pelo sistema (expansão e ΔU < 0). Gerar Calor (Q): que entra ou é absorvido (ΔU > 0) ou que sai ou é cedido por o sistema (ΔU < 0). Q > 0 calor adicionado ao sistema (U aumenta) Q < 0 calor retirado do sistema (U diminui) W > 0 trabalho realizado pelo sistema (U diminui) W < 0 trabalho realizado sobre o sistema (U aumenta) Caso particular: o trabalho do processo não adiabático. Num processo não-adiabático, o trabalho realizado sobre um sistema entre os estados inicial (i) e final (f) é diferente do trabalho adiabático realizado entre os mesmos estados (i) e (f). A soma entre ambos é o calor trocado durante o processo: Formulação matemática da Primeira Lei da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica ∆V1-2 = V2 –V1 = 0 Transformação de 1 → 2 Volume invariável (Isovolumétrica) Processo isovolumétrico ou isocórico (Transformação a volume constante) ΔU = Q1-2 – W1-2 U1-2 = Q1-2 Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica Processo Isotérmico (Transformação a temperatura constante). Êmbolo movimentado lentamente 1ª Lei da Termodinâmica Q1-2 = W1-2 ΔU = 0 → ∆T1-2 = 0 (Equilibro térmico) Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica ΔU = Q1-2 – W1-2 Movimento rápido do êmbolo. ΔQ = 0 Primeira Lei da Termodinâmica ∆U1-2 = Q1-2 – W1-2 ΔQ1-2 = 0 → ∆U1-2 = - W1-2 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. W (Área sob o gráfico) Processo adiabático (Transformação sem troca de calor) Quando sistema passa por uma expansão adiabática, sua temperatura diminui. Quando sistema passa por uma compressão adiabática, sua temperatura aumenta. Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica Processo isobárica (Transformação a pressão constante) Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica Onde: mº - fluxo ou vasão do fluído (kg/h) Processo Cíclicos (Estado inicial é igual ao Estado Final) Wciclo = WcadaProcesso = A12341 Wciclo > 0 → Qciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama PV : horário. O sistema recebe Q e entrega W 1a Lei da Termodinâmica ∆Uciclo = Qciclo – Wciclo Qciclo = Wciclo ∆Uciclo = ∆U = 0 Qciclo = QcadaProcesso Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica A temperatura do gás no estado inicial e final tem que ser a mesma. São processos súbitos em que não se conhece a pressão e volume nos estados intermediários. Expansão livre : São processos adiabáticos nos quais nenhum trabalho é realizado. Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica 1a Lei da Termodinâmica Rendimento ou Eficiência (1era e 2da Lei da Termodinâmica: Expressa o grau de aproveitamento da energia de um sistema termodinâmico. Princípio de Carnot: "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios" BC e DA são curvas adiabáticas AB E CD são curvas isotérmicas Ciclo reversível A máquina ideal de Carnot Em cada ciclo W1-2 = Q1 – Q2 Rendimento ou Eficiência térmico ∆U1-2 = 0 Rendimento ou Eficiência (1era e 2da Lei da Termodinâmica: O limite máximo do rendimento térmico é o 100 % (ou a unidade “1”). Na realidade todo rendimento térmico é menor que “100 %” ou “1” Refrigerador 1 – 2: compressão adiabática em um compressor 2 – 3: processo de rejeição de calor a pressão constante (Qcond) 3 – 4: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 4 – 1: absorção de calor a pressão constante, no evaporador (Qevap) O ciclo de compressão de vapor (Ciclo de Refrigeração) O ciclo de compressão de vapor (Ciclo de Refrigeração): Define-se o coeficiente de desempenho (performance) do ciclo como: Ciclo de Carnot Ciclo real O COP sempre é maior que 100 % (a unidade “1”). O COP de Ciclo de Carnot é maior que o real. A entalpia (H): Exercício 1: Dado o recipiente de dois compartimentos representado na figura, o manômetro “A” marca 281 kPa (man); o manômetro “C”, marca 105,5 kPa (man). Se a pressão atmosférica é 77,6 cmHg, determine-se qual é pressão absoluta de A, C e a leitura do manômetro B que determina a diferencia de pressão entre A e C. Dados: pmanA = 281 kPa pmanC = 105,5 kPa patm = 77,6 cmHg pabsA = ? pabsC = ? pB = ? Exercício 1: Solução: A pressão absoluta em “A” mede a soma de “pmanA” e “patm”. A pressão absoluta em “C” mede a soma de “pmanC” e “patm”. A pressão em “B” mede a diferencia entre “pmanA” e “pmanC”. patm = 77,6 * 1,33 = 103,75 kPa Exercício 2: Um sistema gasoso recebe do meio externo 200 cal, em forma de calor. determinar a variação de energia interna (J e BTU) se a transformação que acontece é isocórica. Dados: Transformação isocórica: Qm-s = 200 cal Vm-s = 0 Um-s = ? Um-s = Qm-s = 200 cal = 4,1867 * 200 = 837,34 J Exercício 3: Um gás contido no cilindro isolado termicamente, provido de um êmbolo sobre o qual são colocados vários pesos pequenos. A pressão inicial é de 2 kgf/cm2 e o volume inicial do gás é de 0,04 m3. Calcular a variação de energia interna no sistema durante esse processo se o volume do gás aumente para 100 L, enquanto a pressão permanece constante. Exercício 3: Dados: Transformação isobárica: p = 2 kgf/cm2 p = 2 *(1,01 * 105) = 202000 Pa V1 = 0,04 m3 V2 = 100 L V2 = 100 * 10-3 = 0,1 m3 Q1-2 = 0 (sistema isolado) U1-2 = ? Exercício 4: 1a Lei da Termodinâmica ∆Uciclo = Qciclo – Wciclo ∆Uciclo = 0 (ciclo termodinâmico) Qciclo = Wciclo Wc = ∑Qc Exercício 4: Resolução: Para a primeira máquina térmica temos: Wc = ∑Qc = Q1 – Q2 = 450 – 300 = 150 J Rendimento ou Eficiência térmico Exercício 4: Resolução: Para a segunda máquina térmica temos: Wc = ∑Qc = Q1 – Q2 = 600 – 450 = 150 J Rendimento ou Eficiência térmico As dois máquinas térmicas efetuam o mesmo trabalho, mas a primeira aproveita mais a energia porque tem mais rendimento térmico Exercício 4: Resolução: Então temos:
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