Aula02_p3de3_Termo_2012mar25

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UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Campus Foz do Iguaçu / Centro de Ciências Exatas
Engenharia Mecânica
TERMODINÂMICA
 Aula 02c – Energia Transferência de Energia e Análise Geral da Energia
Parte III/III
Prof. Dr Eduardo César Dechechi
dechechi@gmail.com 
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Objetivos:
Apresentar o conceito de energia e definir suas várias formas;
Discutir a natureza da energia interna;
Definir o conceito de calor e a terminologia associada à transferência de energia sob a forma de calor;
Discutir os três mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação;
Definir o conceito de trabalho, incluindo o trabalho elétrico e as várias formas de trabalho mecânico;
Apresentar a 1ª Lei da Termodinâmica, os balanços de energia e os mecanismos de transferência de energia de e para um sistema;
Mostrar que a um fluido escoando está associado um fluxo de energia através da fronteira. Esta transferência de energia é adicional àquela que atravessa a superficie de controle sob a forma de calor e/ou trabalho;
Definir eficiências de conversão de energia;
Discutir as implicações da conversão de energia sobre o meio ambiente.
Aula 02 – Energia Transferência de Energia e Análise Geral da Energia
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
2. Energia Transferência de Energia e Análise Geral da Energia
2.1 Introdução
2.2 Formas de Energia
2.3 Transferência de Energia por Meio de Calor
2.4 Transferência de Energia por Meio do Trabalho
2.5 Formas Mecânicas de Trabalho
2.6 A primeira lei da termodinâmica
2.6.1 Descrição
2.6.2 Energia Total E
2.6.3 Balanço de Energia
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
2.8 Energia e meio ambiente
2.9 Mecanismos de transferência de calor
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
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1ª Lei da Termodinâmica
Princípio da conservação de energia
Base sólida para estudar as relações entre as diversas formas de energia e interações de energia;
Enunciado:
Energia não pode ser criada nem destruída durante um processo;
Ela pode apenas mudar de forma
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.1 Descrição
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Considere um processo passando por uma série e processos adiabáticos de um estado específico 1 para outro 2;
Adiabáticos: 
não envolve troca de calor;
Podem diversos tipos de interações de trabalho.
Medições cuidadosas indicam:
Para todos os processos adiabáticos entre dois estados especificados de um sistema, o trabalho líquido realizado é o mesmo independente da natureza do sistema fechado e dos detalhes do processo.
Afirmação que não possui outro lei que a embase, portanto é um princípio fundamental /chamado de Primeira Lei da Termodinâmica ou apenas Primeira Lei.
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.1 Descrição
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Definição da propriedade Energia Total E
Para um processo adiabático, a variação de energia total deve ser igual ao trabalho realizado. 
Isto aproxima o trabalho de uma propriedade (o que não é, apenas neste caso);
Não faz referência ao valor da energia total de um sistema fechado em um estado;
Declara que a variação da energia total E de um processo adiabático é igual ao trabalho liquido realizado.
Assim, qualquer valor arbitrário conveniente pode ser atribuído à energia total de um sistema especificado para servir de referência.
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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Definição da propriedade Energia Total E
Exemplos:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.2 Energia Total E
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O princípio de conservação de energia pode ser expresso:
A variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema durante um processo é igual à diferença entre a energia total que entra e a energia total que sai do sistema durante esse processo:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.3 Balanço de Energia
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Determinação da variação de energia de um sistema durante processo qualquer é a diferença da energia em seus estados:
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.4 Variação da Energia de um sistema, ∆Esistema
Energia é uma propriedade de estado;
Portanto, a variação de energia é zero se o estado do sistema não se alterar.
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Na ausência de efeitos de natureza elétrica, magnética e de tensão superficial (por exemplo nos sistemas compressíveis simples):
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.4 Variação da Energia de um sistema, ∆Esistema
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Na ausência de efeitos de natureza elétrica, magnética e de tensão superficial (por exemplo nos sistemas compressíveis simples):
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.4 Variação da Energia de um sistema, ∆Esistema
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A energia pode transferida (fronteira):
Calor
Trabalho 
Fluxo massa
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.5 Mecanismos de Transferência de Energia, Ee e ES
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A energia pode transferida (fronteira):
Calor
Trabalho 
Fluxo massa
Transferência de calor Q:
Q, Calor transferido para um sistema (calor adicionado) aumenta a energia das moléculas e então aumenta a energia total interna do sistema;
Q, Calor tranferido do sistema (calor perdido) diminui a energia total do sistema, pois as moléculas perdem a energia.
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
 2.6.5 Mecanismos de Transferência de Energia, Ee e ES
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.5 Mecanismos de Transferência de Energia, Ee e ES
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.5 Mecanismos de Transferência de Energia, Ee e ES
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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	2.6.6 Balando de Energia
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	2.6.6 Balando de Energia
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Como a velocidade é menor, a afirmação é falsa!
* Velocidade máxima ideal (não considerou possíveis perdas)
2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
O ventilador aquece a sala como um aquecedor de 
200W
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	2.6.6 Balando de Energia
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	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.6 1ª Lei da Termodinâmica
	2.6.6 Balando de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2. Energia Transferência de Energia e Análise Geral da Energia
2.1 Introdução
2.2 Formas de Energia
2.3 Transferência de Energia por Meio de Calor
2.4 Transferência de Energia por Meio do Trabalho
2.5 Formas Mecânicas de Trabalho
2.6 A primeira lei da termodinâmica
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2) Eficiência de equipamento com queima “poder calorífico”
A maioria dos combustíveis possuem Hidrogênio -> H2O
vaporizada 			-> Poder Calorífico Inferior;
Líquida/condensada 	-> Poder Calorífico Superior
“Recupera-se o calor de vaporização/condensação”
Gasolina: 	
 PCI = 44.000 kJ/kg
	 PCS = 47.300 kJ/kg
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Poder calorífico:
Deve-se explicitar de qual estamos tratando: PCS x PCI
 Motores, turbinas -> vapor d´água nos gases de exaustão
 PCI
 Fornos -> Pode-se recuperar o calor da condensação do vapor 		d´água nos gases de exaustão
 PCS
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Poder calorífico:
Deve-se explicitar de qual estamos tratando: PCS x PCI
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência global
Exemplo de valores globais:
Motores automotivos a gasolina:				  {26 a 30%}
Motores a diesel:					 			  {34 a 40%}
Grandes usinas geradoras de energia elétrica:	  {40 a 60%}
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência (eficácia) de iluminação
Lumens (quantidade de luz) produzido por Watts de eletricidade
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência térmica
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência térmica
Exemplo 2-15 Custo do cozimento em fogões elétrico e a gás
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência de Dispositivos mecânicos e elétricos
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência de Dispositivos mecânicos e elétricos
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência de Dispositivos mecânicos e elétricos
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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Eficiência de Dispositivos mecânicos e elétricos
Economia de custos associada aos motores de alta eficiência
Exemplo 2-17
2.7 Eficiências de Conversão de Energia
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2.8 Energia e Meio Ambiente
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2.8 Energia e Meio Ambiente
Ozônio e Smog;
Chuva ácida;
O Efeito estufa: Aquecimento Global e mudança climática
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
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Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, ocorre, necessariamente, transferência de calor.
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Condução
É a transferência de calor que ocorre através de um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, quando existir um gradiente de temperatura nesse meio.
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Convecção
É a transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles se encontram em temperaturas diferentes.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
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Radiação
É a energia emitida na forma de ondas eletromagnéticas (ou fótons) por toda a matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. 
Na ausência de um meio que se interponha entre duas superfícies a diferentes temperaturas existe transferência de calor líquida por radiação.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
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A condução e a convecção necessitam da presença de variações (gradientes) de temperaturas em um meio material.
Embora a radiação térmica se origine da matéria, seu transporte não necessita de um meio material e ocorre mais eficientemente no vácuo.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
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Transferência de calor em um sólido ou em um fluido (gás ou líquido) estacionário devido ao movimento aleatório (difusão) dos componentes dos átomos, moléculas e/ou elétrons.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Condução
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Condução
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Lei de Fourier: parede plana 1D de condutividade térmica
constante em regime permanente RP
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Condução
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A transferência de calor por convecção é composta de dois mecanismos: 
Transferência de calor devido ao movimento aleatório molecular (difusão);
Através do movimento global, ou macroscópico, do fluido (advecção).
CONdução + adVECÇÃO = CONVECÇÃO
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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A transferência de calor por convecção que ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície quando os dois se encontram a diferentes temperaturas (desenvolvimento simultâneo das camadas limite fluidodinâmica e térmica) é de grande interesse para a Engenharia.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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O estudo e a observação dos fenômenos relacionados com a camada limite são essenciais para a compreensão da transferência de calor convectiva (importância da Mecânica dos Fluidos).
A classificação da transferência de calor por convecção pode ser realizada de acordo com a natureza do escoamento do fluido.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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Processos de transferência de calor por convecção: a) Convecção forçada; b) Convecção natural; c) ebulição; d) Condensação
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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h depende das condições na camada limite, as quais, por sua vez, são influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do movimento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido.
Todo estudo de convecção, em última análise, se reduz ao estudo dos procedimentos pelos quais h pode ser determinado.
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Convecção
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Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-nula.
Independentemente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que constituem a matéria.
A energia do campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas (fótons)..
2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Radiação
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Radiação
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Radiação
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Radiação
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2.9 Mecanismos de Transferência de Calor
	Radiação
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Básicas
ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., 2007. Termodinâmica. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p.
Complementares
BORGNAKKE, C. & SONNTAG, R.E., 2009. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo, SP: Edgard Blücher, 659p.
MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., 2009. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p.
INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2008. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 643p.
Bibliografia
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
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