Máquinas Térmicas PDF Alunos

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MÁQUINAS TÉRMICAS OBJETIVOS:
 Conhecer os principais tipos de combustíveis utilizados para alimentar dispositivos, suas características e processos utilizados para gerar energia térmica a partir dos mesmos;
 Conhecer os principais tipos de caldeiras existentes no mercado, suas particularidades construtivas e operacionais;
 Conhecer linhas de transmissão de vapor, os elementos constitutivos principais, os cuidados necessários para sua construção e princípios de dimensionamento;
MÁQUINAS TÉRMICAS OBJETIVOS:
 Conhecer turbinas a vapor e a gás, princípios de funcionamento e de operação;
 Conhecer sistemas de cogeração, características, princípios de
funcionamento e operação.
INTRODUÇÃO
Por onde começar o estudo dessa disciplina?
Usaremos Fenômenos de Transporte, que envolve conceitos associados da Mecânica dos Fluidos, Termodinâmica e de Transmissão de Calor para aplicarmos nas Máquinas Térmicas.
A Termodinâmica é a primeira de três disciplinas que, juntas, formam o que costuma–se chamar de Engenharia de Sistemas Térmicos, ou Termociências. 
A Termodinâmica, a Mecânica dos Fluidos e a Transferência de Calor estão intimamente ligadas.
 TERMODINÂMICA: 
Estuda o tratamento da energia e das relações entre as propriedades da matéria.
Nasceu no século XVIII com o surgimento das máquinas térmicas (revolução industrial).
Termodinâmica é a ciência que descreve:
Os Estados da matéria e sistemas;
As Leis de Conservação;
A direção de processos naturais.
A Termodinâmica trata das relações entre o calor e o trabalho, ou seja, estudo dos métodos para transformação de energia térmica em energia de movimento. 
 
Em Termodinâmica, Máquinas Térmicas são sistemas que realizam a conversão de calor ou energia térmica em trabalho mecânico
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O primeiro dispositivo foi a máquina de Herón, no século I d.C. Em 1698, logo depois Thomas Savery criou a primeira com utilidade prática, que era usada para retirar água das minas. 
Posteriormente, por volta de 1712, essa máquina de Savery foi aperfeiçoada por Thomas Newcomen e passou a ser utilizada também para elevar cargas.
As máquinas térmicas obtiveram destaque de fato apenas no século 18, quando James Watt (1736 – 1819), em 1763, criou uma máquina que possuía maior eficiência do que as que eram até então conhecidas, assim contribuíram muito para a Revolução Industrial.
Foi em 1904 que as máquinas a vapor passaram a ser utilizadas para locomoção. 
A locomotiva a vapor, construída por Richard Trevithick, era capaz de transportar 450 pessoas a uma velocidade de 24 km/h, velocidade bem menor que a que estamos acostumados atualmente.
As máquinas térmicas foram fundamentais para o desenvolvimento tecnológico da humanidade, a começar pela Revolução Industrial, os meios de transporte e a produção de energia. 
Depois da locomotiva, vieram os carros, o primeiro foi produzido em 1885, pelo Engenheiro Alemão Karl Benz, e possuía motor a gasolina.
Século XVIII: O homem descobriu como obter trabalho a partir de um fluxo de calor.
A Máquina a Vapor (térmica) foi inventada: O calor liberado pela queima de carvão e madeira transformava água em vapor que então produzia trabalho. Bombeava a água das minas, movia trens e navios, tocava as fábricas, transportava cargas. 
Consequência: Revolução Industrial do século XIX.
Questionava-se: Como avaliar a quantidade máxima de trabalho que poderia ser obtida a partir de uma dada quantidade de combustível. 
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Questionava-se: Se uma locomotiva abastecida de carvão pode me levar daqui a SP, com uma máquina a vapor mais eficiente será que eu poderia fazer uma viagem maior? 
Nicolas Léonard Sadi Carnot, jovem engenheiro militar francês, resolveu o problema de se calcular o rendimento máximo de uma máquina térmica.
 
Máquina Térmica: qualquer aparelho ou dispositivo para transformar calor em trabalho. Seu funcionamento está relacionado a três fatos:
 1) Recebe calor de uma fonte quente à temperatura constante T1.
 2) Rejeita calor para algo frio à uma temperatura T2.
 3) Realiza (ou recebe) trabalho. 
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TERMODINÂMICA – OBJETIVO
A Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de Energia.
A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e Trabalho.
Análise Microscópica:
Denominada Termodinâmica estatística. É diretamente ligada à estrutura da matéria. O objetivo é caracterizar por métodos estatísticos o comportamento médio das partículas de um sistema e relaciona-lo com o comportamento macroscópico do mesmo.
Análise Macroscópica:
Denominada Termodinâmica clássica. Estuda variações médias que ocorrem com um número grande de moléculas. É baseado em observações macroscópicas. 
É matematicamente mais simples.
Aplicações das Máquinas térmicas
Massa específica:
 Massa específica é a razão da massa pelo Volume ocupado.
Peso específico:É a razão entre o peso de um dado fluido e o volume que o contém.
 Volume específico: É o volume ocupado pela unidade de massa. 
Sistema: refere-se a uma substância ou grupo de substâncias consideradas separadamente para estudo.
Sistema fechado: Temos uma quantidade fixa de matéria, não existe fluxo de massa através de suas fronteiras.
Sistema aberto: Ocorre troca de matéria, existe fluxo de massa através de suas fronteiras.
Isolados: Não trocam massa nem energia sob nenhuma forma com o ambiente
Adiabáticos: Não trocam calor com o ambiente.
Estado: 
O Estado de um Sistema é a sua condição física determinada pelas moléculas que o compõe.
Ex: pressão, temperatura, volume especifico.
 Processo: 
Um processo é a mudança de um estado para outro dentro de um sistema.
 Ciclo: 
Ciclo é uma sucessão de processos onde o estado final se confunde com o estado inicial. 
 
Propriedade
 É qualquer característica mensurável da substância estudada.
Propriedade intensiva
 É a que independe da quantidade de massa em estudo
 • Ex.: temperatura, pressão, densidade
Propriedade extensiva
 É a que depende da quantidade de massa em estudo
 • Ex.: Entalpia, energia interna, volume, entropia
Obs: Uma propriedade extensiva vira intensiva,
quando expressa por unidade de massa
Q > 0: calor transferido para o sistema;
Q < 0: calor transferido do sistema.
Temperatura: 
É uma propriedade termodinâmica que indica o grau de agitação das moléculas de um sistema.
 T(ºC) = T(K) – 273,15
 T(R) = 1,8 T(K)
 T(°F) = T(R) – 459,67
 T(°F) = 1,8 T(°C) + 32
Equilíbrio Térmico: 
É o estado termodinâmico alcançado por um sistema e sua vizinhança após eles terem postos em contato térmico por um tempo suficientemente grande, através de uma parede que possibilite a troca de calor. 1- Metaestável 2- Instável 3- Estável
Esta lei constitui a base para a medição da temperatura, em termômetros.
 Trabalho (τ) ( Energia ) é o produto da força pela distância ( τ = F.x ), então : 1 Joule ( J ) é a energia dispendida por uma força de 1 N em 1 m
 Potência (℘) é o trabalho na unidade de tempo ( ℘ = τ / t ), então : 1 Watt ( W ) é a potência dissipada por uma força de 1 J em 1 s
 Calor (Q) 1kcal = 1000cal = 4,184kJ = 4184J
 1Btu = 252,16cal 1kW.h = 3,6.103 kJ
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ENERGIA INTERNA (U)
Relacionada com as energias cinética e potencial das moléculas que compõem uma substância nível microscópico
rotação, translação e vibração;
forças inter e intra-moleculares.
Determinada a partir do experimento de Joule;
É uma função de estado => Apenas a sua variação D U pode ser determinada experimentalmente
ENERGIA
ENERGIA: Associa-se geralmente à capacidade de produzir um trabalho ou realizar uma ação.
Energia cinética (Ek) e Energia potencial (Ep) são propriedades extensivas.
 
 CALOR
 Calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura entre corpos ou substâncias.
Transferência de calor ocorrerá sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios. 
– Está implícito na definição que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema.
– O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura.
CALOR (Q) Transferência de energia entre sistema e vizinhança, induzida por uma diferença de temperatura entre eles (força motriz). 
Ocorre sempre espontaneamente do corpo mais quente para o corpo mais frio. 
Energia em trânsito (como o trabalho)
Não é uma propriedade de estado, portanto depende do caminho realizado.
Convenção de sinais:
Q > 0 (+) calor transferido para dentro do sistema;
Q < 0 (-) calor transferido para fora do sistema.
Não é uma propriedade de estado depende do caminho
ENTALPIA (H) Propriedade composta que envolve a energia interna (U) e o produto pressão-volume.
DEFINIÇÃO: H = U + PV
É uma função de estado (assim como: U, P e V)
VARIAÇÃO: dH = dU + d(PV)
 DH = DU + D(PV)
Trabalho é a energia transferida entre sistemas, ou entre um sistema e a sua vizinhança, que se relaciona com a ação de uma força aplicada ao sistema e cujo ponto de aplicação se desloca.
TRABALHO
Um sistema o gás contido num cilindro com êmbolo, como na Figura ao lado, quando retiramos um dos pequenos pesos do êmbolo, provocando um movimento deste para cima, de uma distância dL. 
Podemos considerar este processo como um quase–estático e calcular o trabalho W.
W < 0 (-) calor transferido para dentro do sistema;
W > 0 (+) calor transferido para fora do sistema.
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O trabalho líquido realizado Wmáq, é igual ao calor líquido recebido num ciclo. 
Para o ciclo 
A  B:Tranformação isortérmica. O sistema absorve calor Q.
B  C: Expansão adiabática
C  D: Compressão isotérmica. O sistema libera Q.
D  A: Compressão adiabática.
Rendimento témico da máquina:
Carnot mostrou que:
 Teoremas provados por Carnot:
 
1) Todos os motores reversíveis operando entre as mesmas duas temperaturas T1 e T2, têm o mesmo rendimento.
2) Dos motores que operam entre as mesmas duas temperaturas, os reversíveis têm o maior rendimento.
3) Para a mesma temperatura T1 da fonte quente, o motor reversível que opera com maior ΔT tem maior rendimento e pode produzir mais trabalho. 
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 O Ciclo de Carnot
“A máquina térmica que opera mais eficientemente entre um reservatório de alta temperatura e um reservatório de baixa temperatura é chamada máquina de Carnot.” 
TH
1 → 2
QH
1W2
Isolado
2 → 3
2W3
TL
3 → 4
QL
3W4
4 → 1
4W1
Isolado
1
2
3
4
 Q = 0
Q = 0
T = cte
T = cte
P
V
Descrição da máquina de Carnot: É uma máquina ideal que utiliza somente processos reversíveis em seu ciclo de operação
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 O Ciclo de Carnot
1→2: Expansão isotérmica: 
 O calor é fornecido ao fluido de forma reversível por um reservatório de alta temperatura a uma temperatura constante T(quente). O pistão no cilindro é movido e o volume aumenta.
2→3: Expansão adiabática reversível: 
 O cilindro é completamente isolado, de modo que nenhuma transmissão de calor ocorra durante esse processo reversível. O pistão continua a ser movido com o volume aumentando.
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3→4: Compressão Isotérmica: 
 O calor é rejeitado pelo fluido de maneira reversível para um reservatório de temperatura baixa a uma temperatura constante TC. O pistão comprime o fluido com diminuição do volume.
4→1: Compressão adiabática reversível: 
 O cilindro é completamente isolado, não permitindo nenhuma transmissão de calor durante esse processo reversível. O pistão continua a comprimir o fluido até este atinja o volume, a temperatura e a pressão originais, completando assim, o ciclo.
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 Rendimento de uma Máquina Reversível
O trabalho realizado durante um processo pode ser expresso como:
se o gás for perfeito,
Lembrando que,
e
Desconsiderando as demais formas de energia,
A primeira Lei pode ser reescrita da forma,
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 Rendimento de uma Máquina Reversível
1→2: Expansão isotérmica:
2→3: Expansão adiabática reversível:
então,
3→4: Compressão Isotérmica:
4→1: Compressão adiabática reversível:
então,
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 Rendimento de uma Máquina Reversível
e
Manipulando os resultados da expansão e compressão adiabática
então
Logo o rendimento será,
Desta forma,
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Exercícios: Calcular a quantidade de energia retirada do reservatório térmico de temperatura alta e a quantidade de energia cedida ao reservatório térmico de temperatura baixa por uma máquina térmica que, funcionando entre 30°C e 150°C, entrega 1000 J de energia útil à vizinhança.
Exercícios: Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 500K e 300K, recebendo 2000J de calor da fonte quente. Encontre o calor rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado pela máquina, em joules.
Exercícios: Uma máquina térmica recebe 800 J de calor de uma fonte quente, em uma temperatura de 400 K, e rejeita 300 J para uma fonte fria. Calcule a temperatura da fonte fria e o trabalho realizado pela máquina.