Aula 3_Unidade1-AnaClaudia

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31/10/2013
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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.
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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)
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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
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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
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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