7. Energia, Calor e Trabalho III

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Energia, Calor e Trabalho III
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
A Primeira Lei da Termodinâmica
Até agora foram considerados o calor Q, o trabalho W e a energia total E de maneira individual.
A primeira lei da termodinâmica oferece uma base para o estudo das relações entre esses tipos de energia.
Se a energia não pode ser criada nem destruída durante um processo, cada parcela de energia deve ser contabilizada nesse processo.
3
A Primeira Lei da Termodinâmica
“Para todos os processos adiabáticos entre dois estados especificados de um sistema fechado, o trabalho líquido realizado é o mesmo independentemente da natureza do sistema fechado e dos detalhes do processo”. – James Prescott Joule, Século XIX.
4
A Primeira Lei da Termodinâmica
Considerando as inúmeras maneiras pelas quais é possível realizar trabalho sob condições adiabáticas, essa afirmação é bastante significativa.
Esse princípio fundamental é chamado de primeira lei da termodinâmica.
5
A Primeira Lei da Termodinâmica
Uma das principais conseqüências da primeira lei é a existência e definição da propriedade energia total E.
Se o trabalho líquido é o mesmo em todos os processos adiabáticos, o valor do trabalho líquido deve corresponder à variação da energia total do sistema.
Embora a essência seja a existência da propriedade energia total, a conservação da energia está implícita no enunciado da primeira lei.
6
A Primeira Lei da Termodinâmica
Considera-se uma batata assando em um forno.
Como resultado da transferência de calor para a batata, sua energia aumentará.
Desprezando-se qualquer transferência de massa (perda de umidade), o aumento da energia total da batata se torna igual à quantidade de calor transferido.
7
A Primeira Lei da Termodinâmica
7
Se 5 kJ de calor forem transferidos para a batata, o aumento de energia da batata também será de 5 kJ.
8
A Primeira Lei da Termodinâmica
8
Considera-se o aquecimento da água em uma panela sobre um fogão.
Se forem transferidos 15 kJ de calor para a água pelo queimador e se 3 kJ se perderem da água para o ar ambiente, de quanto será o aumento da energia da água?
9
A Primeira Lei da Termodinâmica
9
Considera-se agora como sistema uma sala bem isolada aquecida por um aquecedor elétrico. 
Como resultado do trabalho elétrico realizado, a energia do sistema aumentará. 
10
A Primeira Lei da Termodinâmica
10
Como o sistema é adiabático, não pode haver nenhuma transferência de calor de ou para a vizinhança.
O princípio de conservação da energia diz que o trabalho elétrico realizado sobre o sistema deve ser igual ao aumento da energia do sistema.
11
A Primeira Lei da Termodinâmica
11
Em seguida, substitui-se o aquecedor elétrico por uma hélice. 
Como resultado do processo de agitação, a energia do sistema aumentará. 
12
A Primeira Lei da Termodinâmica
12
Novamente, como não há interação de calor entre o sistema e sua vizinhança o trabalho de eixo realizado sobre o sistema deve se manifestar como um aumento da energia do sistema.
13
A Primeira Lei da Termodinâmica
13
Considera-se uma seringa fechada em sua extremidade contendo ar.
Ao pressionar o êmbolo o ar se comprime e sua temperatura se eleva.
14
A Primeira Lei da Termodinâmica
14
Isso acontece porque energia é transferida para o ar na forma de trabalho de fronteira.
Na ausência de transferência de calor, todo esse trabalho será armazenado no ar como energia total.
15
A Primeira Lei da Termodinâmica
15
Considera-se um sistema que recebeu 15 kJ de calor e rejeitou 3 kJ de calor durante um processo. 
Além disso, 6 kJ de trabalho foi realizado sobre ele.
De quanto foi a variação da energia total do sistema durante esse processo?
16
A Primeira Lei da Termodinâmica
16
Balanço de Energia
O princípio da conservação de energia pode ser expresso da seguinte maneira:
A variação líquida 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.
18
Balanço de Energia
Essa relação é chamada de balanço de energia.
Ela se aplica a todo tipo de sistema passando por qualquer tipo de processo.
O uso adequado dessa relação para resolver problemas de engenharia depende: 
Da compreensão das diversas formas de energia;
Do reconhecimento das formas de transferência de energia.
19
Balanço de Energia
A energia pode existir em inúmeras formas como interna (sensível, latente, química e nuclear), cinética, potencial, elétrica e magnética e sua soma representa a energia total E.
Na ausência de efeitos de natureza elétrica, magnética e de tensão superficial, tem-se que:
20
Balanço de Energia
Quando os estados final e inicial são conhecidos, os valores das energias internas específicas u1 e u2 podem ser determinados diretamente por meio de tabelas de propriedades.
21
Balanço de Energia
Mecanismos de Transferência de Energia
A energia pode ser transferida para ou de um sistema sob três formas:
Calor (sistema fechado e aberto);
Trabalho (sistema fechado e aberto);
Fluxo de massa (sistema aberto apenas).
23
Mecanismos de Transferência de Energia
As interações de energia são identificadas quando atravessam a fronteira de um sistema.
Elas representam a energia ganha ou perdida por um sistema durante um processo.
24
Mecanismos de Transferência de Energia
Transferência de calor, Q
A transferência de calor para um sistema (ganho de calor) aumenta a energia das moléculas e, conseqüentemente, a energia interna do sistema.
25
Mecanismos de Transferência de Energia
Transferência de calor, Q
A transferência de calor de um sistema (perda de calor) diminui a energia interna, pois a energia transferida sob a forma de calor vem da energia das moléculas do sistema.
26
Mecanismos de Transferência de Energia
Realização de trabalho, W
Uma interação de energia que não é causada por uma diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança é trabalho.
A realização de trabalho sobre um sistema aumenta a energia dele, e a realização de trabalho pelo sistema diminui a energia do sistema, uma vez que a energia transferida para fora vem da energia interna.
27
Mecanismos de Transferência de Energia
Realização de trabalho, W
Os motores dos automóveis e as turbinas hidráulicas, a vapor ou a gás produzem trabalho.
28
Mecanismos de Transferência de Energia
Realização de trabalho, W
Os compressores, as bombas e os misturadores consomem trabalho.
29
Mecanismos de Transferência de Energia
Fluxo de massa, m
O fluxo de massa para dentro e para fora do sistema se constitui em um mecanismo adicional de transferência de energia.
30
Mecanismos de Transferência de Energia
Fluxo de massa, m
A energia do sistema aumenta quando há entrada de massa, porque massa carrega energia.
Da mesma forma, quando alguma massa sai do sistema, a energia nele contida diminui, porque a massa que sai leva com ela alguma energia.
31
Mecanismos de Transferência de Energia
Fluxo de massa, m
Quando uma certa quantidade de água fria é retirada de um acumulador de água e é substituída pela mesma quantidade de água quente, a quantidade de energia do tanque aumenta como resultado disso.
32
Mecanismos de Transferência de Energia
Se a transferência líquida de uma quantidade é igual à diferença entre as quantidades transferidas na entrada e na saída, tem-se:
33
Mecanismos de Transferência de Energia
O calor transferido Q é zero para os sistemas adiabáticos.
O trabalho realizado W é zero para os sistemas que não envolvem interações de trabalho.
A energia transportada com a massa é zero nos sistemas fechados.
34
Mecanismos de Transferência de Energia
O balanço de energia pode, também, ser escrito na forma de taxa como:
35
Mecanismos de Transferência de Energia
O balanço de energia pode, também, ser escrito por unidade de massa como:
36
Mecanismos de Transferência de Energia
Para um sistema fechado executando um ciclo, os estados inicial e final são idênticos.
Assim, o balanço de energia pode ser simplificado como:
37
Mecanismos de Transferência de Energia
Como um sistema fechado não envolve nenhum fluxo de massa através de suas fronteiras, o balanço de energia de um ciclo pode ser expresso como:
ou
38
Mecanismos de Transferência de Energia
Ou seja: o trabalho líquido realizado durante um ciclo é igual a entrada líquida de calor.
39
Mecanismos de Transferência de Energia
Exercícios
Um tanque rígido contém um fluido quente que é resfriado enquanto é agitado por uma hélice. 
Inicialmente, a energia interna do fluido é de 800 kJ. 
Durante o processo de resfriamento, o fluido perde 500 kJ de calor, e a hélice realiza 100 kJ de trabalho no fluido.
41
Exercício 1
Determine a energia interna final do fluido.
Despreze a energia armazenada na hélice.
42
Exercício 1
Diz-se que um ventilador que consome 20 W de potência elétrica quando em operação, descarrega ar a uma taxa de 1,0 kg/s e a uma velocidade de 8 m/s. 
Determine se essa afirmação é razoável.
43
Exercício 2
Uma sala encontra-se inicialmente à temperatura de 25 °C, que é a mesma do ambiente externo. 
Um grande ventilador, que consome 200 W de eletricidade quando em funcionamento, é então ligado no interior da sala. 
44
Exercício 3
A taxa de transferência de calor entre a sala e o ar externo é dada por	Q = UA(Ti-Te), onde U = 6 W/m².°C é o coeficiente global de transferência de calor, A = 30 m² é a área das superfícies da sala e Ti e Te são as temperaturas do ar interno e externo, respectivamente. 
Determine a temperatura do ar interno quando são estabelecidas condições de operação em regime permanente.
45
Exercício 3
.