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31/10/2013 1 Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia - CT Departamento de Engenharia Civil e Ambiental - DECA Aula 3: unidade 1 � Princípios da Termodinâmica. � Capacidade Calorífica e Calorimetria Disciplina: Energia e Meio Ambiente Síntese Aula Anterior �Energia e questões ambientais: camada de ozonio, poluição térmica �Panorama do uso de energia �Energia x meio ambiente x desenvolvimento �Oferta de Energia � As formas de energia. �Calor e Trabalho 31/10/2013 2 Resolução do exercício a) Quanta energia potencial tem 10.000 Kg de água contida em uma represa, se a queda d´água antes de atingir a turbina é de 20 m? R: Epg = 10000 Kg x 9,8 m/s2 x 20m = 196 x 104 J b) Qual é a energia cinética de 1 Kg de ar movendo-se 15 m/s? R: EC = ½ x 1 Kg x (15 m/s)2 = 112,5 J c) Se levarmos 2 segundo para levantar um bloco de 8 Kg a uma altura de 1 metro, qual será a potência ? R: P = (8 Kg x 9,8 m/s2 x 1 m) / 2 seg = 39,2J d) Cite dois tipos de energia, exemplificando-os R: energia química, elétrica, calor, luz, mecânica e) Qual o tipo de conversão de energia: andar de bicicleta: química para mecanica moinho de vento: mecanica para elétrica Fundamentos • Trabalho (W) e Calor (Q) = W + Q = ∆ (EC + EP + ET) • 1ª lei da Termodinâmica = W + Q = ∆E (conservação da energia) • Potência (P) = Trabalho / tempo = > Watt (W) = J/s •Energia usada =Potência x tempo de uso ( Ex: eletricidade) 31/10/2013 3 Processos de conversão da Energia A forma de energia disponível (química, potencial) não é a forma mais ÚTIL => CONVERSÃO ENERGIA POTENCIAL DA MARÉS (disponível) => ENERGIA CINÉTICA => ELETRICIDADE (útil) Openhydro - França Processos de conversão da Energia Energia disponível (entrada no sistema) ============> energia útil (saída) Energia gasta para produção ou consumo (+ perdas) 31/10/2013 4 Eficiências na conversão de energia � Para uma estação geradora de eletricidade usando combustível fóssil: Eficiência = Eeletricidade/Ecombustível = 0,35 x 100 = 35% Eficiência (%) = Energia útil de saída / energia de entrada X 100 de um sistema conhecido Eficiência na conversão de Energia • Eficiência = (produção de energia ou trabalho útil / total de entrada de energia ou energia armazenada ) * 100% Sistemas/esquemas de conversão de energia Eficiência (%) Geradores elétricos (mecânica-elétrica) 70-99 Motor elétrico (elétrica-mecânica) 50-90 Turbina eólica (mecânica-elétrica) 35-50 Usina Nuclear (nuclear-térmica-mecânica- elétrica) 30-35 Motor de automóvel (química-térmica-mecânica) 20-30 Lâmpada Fluorescente (elétrica – luminosa) 20 Célula Solar ( luminosa – elétrica) 5-28 Célula a combustível (química – elétrica) 40-60 Secador de cabelo (elétrica – térmica) 100 31/10/2013 5 Eficiência Global energia térmica energia elétrica energia mecânica Energia química 1. Eficiência da conversão de energia química (carvão) em eletricidade = 35% (E1) 2. Eficiência da transmissão através de linha de alta tensão = 90% (E2) 3. Eficiência de conversão da energia em luz por lâmpada incandescente = 5% (E3) EFICIÊNCIA GLOBAL = produto entre as eficiências individuais EFg = E1 * E2 * E3 Efg = 0,35*0,90*0,05 = 0,016 = 1,6% � A eficiência global nunca será maior que a da etapa do processo com menor eficiência EFICIÊNCIA GLOBAL = produto entre as eficiências individuais EFg = E1 * E2 * E3 Efg = 0,35*0,90*0,05 = 0,016 = 1,6% Eficiência Global 31/10/2013 6 Tabela: fatores de conversão de energia Vesilind, 2011 Para converter para Multiplique por BTU Calorias 252 Joules 1,054 kWh 0,000293 Calorias BTU 0,00397 Joules 4,18 kWh 0,00116 Joules BTU 0,000949 Calorias 0,239 kWh 2,78 x 10-7 kWh BTU 3,413 Calorias 862 joules 3,6 x 10-6 � Um BTU é a energia necessária para elevar em 1oF a temperatura de 1 libra de água (1 libra = 453,59gramas) � Unidade similar: caloria � Uma caloria é a energia necessária para elevar em 1oC a temperatura de 1 grama de água 31/10/2013 7 Conservação de Energia • Conservação da energia = redução da energia usada por meio da redução da atividade. • Sistema fechado (“isolado”) => não existem forças externas atuando sobre um objeto no sistema. No sistema isolado, a mudança da energia total será sempre zero. • A quantidade total de energia em um sistema isolado sempre permanecerá constante � a energia é conservada • PRINCIPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA => energia constante => Ex: UNIVERSO Conservação de Energia Sendo assim precisamos nos preocupar com os recursos energéticos? Sim => Após os processos de transformações (conversões) ocorre produção de CALOR RESIDUAL (perda da qualidade da energia para realização do trabalho útil) 31/10/2013 8 Exemplo de Conversão de Energia •A energia dentro de um sistema é igual à energia que sai dele mas a energia que ele armazena. Sistema capaz de interagir com o mundo exterior e considerar a transferência de energia para dentro e para fora do sistema inteiro. Exemplo de Conversão de Energia Petróleo, carvão, gás natural (energia química) Produção de energia térmica Queima energia elétrica energia mecânicaentrada saída Ecombustivel + Ear + E água que entra = Eeletricidade + E água que saí + E gases de combustão 31/10/2013 9 Vamos exercitar b) Se uma tonelada de carvão betuminoso for queimada para produzir eletricidade, quantos KWh podem ser produzidos se a eficiência dessa conversão for 35%? Dados: 1 tonelada de carvão betuminoso = 25 x 106Btu 1KWh = 3,413 Btu a) Uma usina elétrica alimentada a carvão utiliza 1000 t por dia, sendo o valor energético do carvão de 28000 KJ/Kg e que a usina produz 2,8 x 106 KWh de eletricidade por dia. Qual é a eficiência da usina elétrica? *dados: conversão de KWh para Joule => 1 KWh = 3,6 x 106 J Equivalência Energética • Relação entre energia potencialmente disponível e a energia que pode ser eficientemente aproveitada (ex: energia maremotriz – custo elevado para gerar eletricidade). • Tipos de conversões podem não apresentar uma EFICIENCIA ENERGÉTICA devido ser necessário mais ENERGIA para gerar a energia útil (comercializável) que é a energia final produzida. • Equivalência Energética aritmética => Corresponde apenas entrada e saída - sem considerar a energia perdida. • Equivalência Energética de conversão => considera a energia perdida durante o processo de conversão. 31/10/2013 10 Equivalência Energética • Quais são os equivalentes energéticos aritméticos e de conversão entre a gasolina (20000 BTU/lb) e o combustível derivado de resíduos (5000 BTU/lb)? • Resolução: • Eq. Energ. Aritmética = 20000 BTU/lb gasolina / 5000 BTU/lb de resíduos = 4 lb de resíduos/ 1 lb gasolina • Contudo, para produzir o combustível do resíduo será necessário uma energia, logo estimando que 50% da energia do combustível derivado do resíduo será usado => ENERGIA LÍQUIDA nos resíduos será de 2500 BTU/lb. Eq. Energ. Conversão = 20000BTU/lb gasolina / 2500 BTU/lb resíduos = 8lb resíduos/ 1lb gasolina Calor e Trabalho • ENERGIA TOTAL = EC + EP + ET + química • Calor e Trabalho => únicas maneiras pelas quais a ENERGIA pode ser adicionada ou retirada de um corpo, mudando assim sua energia sem que nenhuma massa seja adicionada. • Calor = É um acontecimento => transferência energia entre dois corpos em virtude de uma diferença de temperatura (sec. XVIII) => James Joule => aumento da temperatura da água pela realização do trabalho ou adição de calor. • O calor não está contido em um corpo, mas é manifestação da interação desse corpo com a vizinhança 31/10/2013 11 Calor e Trabalho • ENERGIA TOTAL = EC + EP + ET + química •Aadição de calor geralmente resultará no aumento da temperatura de um corpo • Caloria= É a unidade usada para expressar a quantidade de calor que deve ser adicionada a um grama de água para aumentar sua temperatura em 1ºC. � 1 cal = 4,184 J •Calor é a transferência de energia entre dois corpos em virtude de uma diferença de temperatura Temperatura e Calor • 1ª Lei da Termodinâmica => interconversão entre W, Q e E => Trabalho realizado sobre um sistema somado ao calor adicionado a ele é igual a VARIAÇÃO na energia total do sistema => Q = ∆E + W • Temperatura (T)= energia cinética média dos átomos de um corpo. • ↑ temperatura => mais energéticos são os átomos ou moléculas • Adição de calor => aumento da energia térmica do corpo • Temperatura é uma propriedade do corpo (tanto quanto sua cor e forma). Quando se mede a temperatura de uma substância, ela é a mesma, não importando se você mede em uma parte dela ou nela inteira (supondo T uniforme) 31/10/2013 12 Temperatura e Calor • Quando se adiciona calor a um substância, geralmente observa-se o aumento de sua temperatura. •A relação entre a variação de temperatura e a quantidade de calor adicionada (ou removida) Q: • Equação fundamental da calorimetria • Calor específico = capacidade calorífica específica = capacidade térmica: É a quantidade de calor adicionada (ou removida) por grau de aumento (ou diminuição) de temperatura (variação)= nº de joule para aumentar 1 Kg de material em 1ºC. Q = mc∆T => ∆T = Q/mc Calor Específico Um corpo com grande calor específico = libera mais energia na forma de calor (Q) para a vizinhança enquanto ocorre um decréscimo de temperatura MAIOR CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA Ex: copo de alumínio com água (o copo resfria-se muito mais rapidamente) 31/10/2013 13 Princípios de transferência de calor • Adição de calor = aumento da temperatura OU mudança de fase da matéria => sólida – líquida – gasosa (H2O) • Calor flui de um corpo par outro (mais quente para o mais frio) = diferença de temperatura entre dois corpos => TRANSFERÊNCIA DE CALOR •Formas de transferência: CONDUÇÃO, CONVECÇÃO E RADIAÇÃO Mudanças de fase (Ex: H2O) GELO (sólido) FUSÃO ÁGUA (Líquido) VAPOR (Gasoso)EBULIÇÃO CALOR ABSORVIDO CALOR LIBERADO Adição de calor a um líquido, em seu ponto de EBULIÇÃO, por unidade de massa, para converter em GÁS na mesma temperatura = Calor de vaporização (H2O = 540 Kcal/Kg) Adição de calor a um sólido, em seu ponto de FUSÃO, por unidade de massa, para converter em LÍQUIDO na mesma temperatura = Calor de fusão (H2O = 335 Kcal/Kg ou 80cal/g) Adição de calor não necessariamente aumenta a temperatura => MUDANÇA DE FASE 31/10/2013 14 Princípios de transferência de calor Condução (Qc) : É a transferência de calor dentro de uma substância => colisões moleculares do corpo quente para o corpo frio. Qc = k X A x (T2-T1) / δ k = condutividade térmica A = área da superfície δ = espessura Taxa de transferência de calor por condução: Princípios de transferência de calor Convecção: movimento do líquido ou gás => depende da diferença entre as densidades (processo natural) ou forçada (ventilador ou ventos) Em um gás ou líquido, as moléculas estão muito distantes para que o calor seja transferido de forma efetiva por condução 31/10/2013 15 Princípios de transferência de calor Radiação: • A transferência de calor não necessita de um meio para que haja propagação; •Radiação é emitida na forma de ondas eletromagnéticas, que consistem em campos elétricos e magnéticos cujas amplitudes variam com o tempo •Se propagam de um corpo com a velocidade da luz •Tipos de radiação eletromagnéticas incluem variedades de ondas: luz visível, ondas de rádio, Raio X Princípios de transferência de calor Os diferentes tipos de radiação eletromagnética tem uma propriedade comum � mesma velocidade no vácuo Velocidade da luz = 3,0 x 108 m/s * Diferença entre as ondas: freqüência e o comprimento (ʎ) 31/10/2013 16 Comprimento de onda (λ) Amplitude (A) Velocidade de onda (ν) ν (m/s) = λ (m) x f (por segundo) Princípios de transferência de calor Comp.de onda x freqüência = velocidade da luz (propagação das ondas a partir de um corpo) 31/10/2013 17 Princípio de Transferência de calor Qc = k X A x (T2-T1) / δ k = condutividade térmica A = área da superfície δ = espessura Transf. de Energia Térmica (∆T) Condução Convecção Radiação q = hc (Tsi-Tar) hc = coef. convecção Tsi = temp. superfície sólida Tar = temp. do fluido C = ʎ * f ou E = mc2 c = velocidade da luz; λ = comprimento de onda (distância entre dois picos da onda); f = freqüência da onda (número de ciclos por unidade de tempo) E = qte. equivalente de energia m = massa equivalente à qte. de energia Princípio de Transferência de calor: processos combinados Transf. de Energia Térmica (∆T) Condução Convecção Radiação • Tipo de material e cor do material influenciam na Transferência de calor • Os valores numéricos de k variam em extensa faixa dependendo da constituição química, estado físico e temperatura dos materiais • Materiais Condutores de calor = k ELEVADO => conduzem bem a eletricidade = Ex: metais • Materiais Isolantes de calor (ISOLANTES TÉRMICOS) => alta “resistência” à transferência de calor = Ex: isopor; ar em movimento 31/10/2013 18 2ª Lei da Termodinâmica • Direção dos processos físicos => naturalmente o calor flui de um corpo quente para um corpo frio = o processo pode ocorrer em uma direção, mas não na outra; •Entropia => Desordem => E uma propriedade do sistema => Ex: adição do calor = aumenta a desordem do sistema = aumento da entropia. • “É impossível converter uma dada quantidade de energia térmica totalmente em trabalho. Em um processo de conversão de energia, a qualidade da energia é sempre degradada, e sua capacidade de realizar trabalho, conseqüentemente, reduzida” • Relação entre Entropia e Calor? = S = Q/T Termodinâmica • 1ª e 2ª Lei da Termodinâmica = fundamentais para o processo de CONVERSÃO DE ENERGIA • 1ª Lei = Lei da conservação de energia => Q = W + ∆ET • 2ª Lei = limita a quantidade de trabalho obtida de uma máquina térmica • ENTROPIA => Indica o máximo de Eficiência de conversão de energia ( processo reversível) Embora a ENERGIA seja sempre CONSERVADA, a eficiência máxima depende da TEMPERATURA do processo de CONVERSÃO do calor em trabalho. 31/10/2013 19 Ex: usina vapor-eletricidade Ex: Sistema sem armazenamento Petróleo, carvão, gás natural (energia química) Produção de energia térmica Queima energia elétrica energia mecânica Máxima eficiência de uma máquina térmica = Eficiência de Carnot = 1-(Tc/Th) x 100% Th Tc Calor residual (aumento da Entropia do universo) W = trabalho mecânico Th – temperatura caldeira Tc – temperatura condensador T na escala absoluta ou Kelvin K = oC +273 Conservação de energia residencial • Economia ≈ 50% redução no consumo de energia • Fluxo de calor por condução => Qc/t = (k x A x ∆T) / δ alta condutividade térmica → material "condutor" baixa condutividade térmica → material "isolante” • Resistência do material ao fluxo de calor = Resistência Térmica = R = δ/k => MAIOR VALOR = melhor a propriedade de isolamento Qc = (1/Rtotal) x A x ∆T • Perda de Calor Total por condução (Qtotal) • Qtotal (Btu) = (∑A/Rtotal) x 24 x Gdanual • GD = grau-dia = (65ºF- Tmédia) 31/10/2013 20 Conservação de energia residencial: medidas • Calafetagem e vedação ao redor de todas as aberturas e rachaduras (infiltração do ar) • Isolamento • Instalações de sombras não isoladas = painéis ou cortinas• Substituição de chuveiro por duchas • Substituição das lâmpadas incandescentes • Pinturas das paredes internas com cores claras • Instalação de portas de vidro ou bloqueio de ar • Equipamentos econômicos de energia V a lo re s d e R p a ra m a te ri a is d e c o n st ru çã o c o m u n s Material Espessura Valor R (pés2-h-oF/Btu) Madeira Dura 1” 0,91 Madeira Mole 1” 1,25 Madeira Compensada 1/2” 0,62 Bloco de concreto 8” 1,04 Tijolo de concreto 1” 0,20 Placa de reboco (gipsita) 1/2” 0,45 Isolamento de fibra de vidro 3 ½ “ 10,9 Isolamento de fibra de vidro 6” 19,0 Isolamento de celulose 1” 3,7 Revestimento “termax” ou “alto R” 1” 8,0 Vidro plano 1/8” 0,88 Vidro isolante Espaço de ar de ¼” 1,54 Vidro isolante Espaço de ar de 1/2” 1,72 Entrepiso de madeira 25/32” 0,98 31/10/2013 21 V a lo re s d e R p a ra m a te ri a is d e c o n st ru çã o c o m u n s Material Espessura Valor R (pés2-h-oF/Btu) Piso de madeira dura ¾” 0,68 Carpete de nailon 1” 2,0 Telha 0,05 Telha de asfalto 0,44 Telha de amianto 0,21 Aço 1” 0,0032 Cobre 1” 0,004 Laterais de madeira polida ½” 0,81 No sistema métrico, as unidades de R são: m2-oC/W = R (inglês x 0,57) Exercício 1 a) Quanto calor é necessário para ferver 1 kg de água partindo de 20ºC? b) Qual o comprimento de onda da radiação eletromagnética emitida por uma estação de rádio que transmite 1500 kHz? c) Calcule a transferência total de calor por 12 hs através de uma janela isolada (duas vidraças com um espaço de ar de ¼´´) cujas medidas são 4 pés x 7 pés, quando a temperatura externa for 5º F e a interna de 65º F. d) Uma usina geradora de energia a ciclo de vapor convencional, a temperatura do vapor que entra na turbina é de 540º C ou 813 K. A temperatura do reservatório frio é de 20º C ou 293 K. Qual a eficiência máxima possível dessa máquina térmica. e) Pesquise 3 materiais com elevada resistência térmica
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