Aula 3 Revisão de conceitos e Processos e Ciclos termodinamicos

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Revisão de conceitos e Processos 
e Ciclos termodinâmicos 
Termodinâmica 
• É a parte da fisíca que estuda o calor e suas 
manifestações. 
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
• Sistema Termodinâmico: Consiste em uma quantidade de 
matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. 
Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que 
desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico 
é chamado MEIO ou VIZINHANÇA. 
 
• O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma 
FRONTEIRA ou SUPERFÍCIE DE CONTROLE a qual pode ser móvel, 
fixa, real ou imaginária 
• 
• Sistema Fechado - É o sistema termodinâmico no qual não há fluxo 
de massa através das fronteiras que definem o sistema. 
 
• Volume de Controle: Ao contrário do sistema fechado, é o sistema 
termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de 
controle que definem o sistema. 
• Dependendo da interação entre o sistema termodinâmico definido para 
estudo, e a vizinhança, chamaremos a essa região de Sistema 
Fechado (demarcado pela fronteira ) ou Volume de Controle 
(demarcado pela superfície de controle) 
 
• A figura 1.1-1 é um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo 
de massa através das fronteiras do sistema, mas há fluxo de calor. 
 
• A figura 1.1-2, por sua vez, constitui um volume de controle pois existe 
fluxo de massa atravessando a superfície de controle do sistema. 
• Sistema Isolado: Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado 
quando não existe qualquer interação entre o sistema 
termodinâmico e a sua vizinhança. (ou seja, através das fronteiras 
não ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc. ) 
Estado... 
• O estado de um sistema é definido pelos valores de suas 
propriedades. 
 
• O estado termodinâmico de um sistema simples compressivel é 
completamente definido por 2 propriedades intensivas 
independentes. 
 
• P=P (ρ ,T) 
• T=T (P , v) 
 
• ρ=1/v : propriedades dependentes 
• P e T são dependentes em sistemas multifasicos 
Processo... 
• Mudança no estado de um sistema de um estado 
de equilíbrio para outro. 
Tipos de processos... 
 Processo Propriedade Constante 
 
 isobárico pressão 
 isotérmico temperatura 
 isovolumétrico volume 
 isoentrópico entropia 
Caminho... 
• Série de estados pelos quais um sistema passa. 
Termometria 
• O que é temperatura? 
 
• A temperatura é uma grandeza escalar que mede o grau de agitação 
térmica das moléculas e átomos de um corpo. 
 
• Para medir a temperatura são ultilizados instrumentos chamados 
termômetros. 
 
 Exemplos: 
• Mercúrio; 
• Álcool; 
• Termopar: 
• Resistências, entre outros. 
 
Escalas de Temperatura 
Escala Celsius: 
 
 
• Criada por Anders Celsius(1701-1744); 
 
• O 0°C(zero grau) é atribuído ao ponto de fusão da água; 
 
• O 100°C é atribuído ao ponto de vapor da água; 
 
• Possui divisão centesimal. 
 
 
Escalas de Temperatura 
Escala Fahrenheit : 
 
 
• Criada por Gabriel Daniel Fahrenheit(1686-1736); 
 
• O 32°F é atribuído ao ponto de solidificação da água; 
 
• O 212°F é atribuído ao ponto de vapor da água; 
 
• Essa escala é dividida em 180 partes. 
 
Escalas de Temperatura 
Escala Kelvin: 
 
• Criada por Willian Tomson Kelvin(1824-1907); 
 
• O 273K é atribuído ao ponto de solidificação da água; 
 
• O 373K é atribuído ao ponto de vapor da água; 
 
• O 0K(zero kelvin) coincide com o zero absoluto 
 
• Essa escala é dividida em 100 partes. 
 
Zero Absoluto 
• O Zero absloluto é a menor temperatura que tem significado 
físico. 
 
 
• Zero Absoluto = 0K = - 273,15°C 
Conversão de Escalas 
• tc = 5/9(tf-32) 
 
• tf = 1,8tc + 32 
 
• tk = tc + 273 
 
Onde: 
 
• tk é a tempetratura em Kelvin 
 
• tf é a tempetratura em Fahrenheit 
 
• tc é a tempetratura em Celsuis 
Conversão de Escalas 
Faça você mesmo... 
 • A temperatura de um corpo é 50 oF. Ache sua 
temperatura em oC, K e oR? 
 
 
Pressão 
 Pressão média é o quociente entre a intensidade 
da componente perpendicular da força 
resultante e área da superfície. 
 
 P= F 
 A 
 
Pressão Absoluta e Manométrica 
• Pressão manométrica é aquela que é medida diretamente do 
sistema, desprezando a pressão exterior. 
 
• Pressão absoluta é a pressão resultante da soma da manometrica 
com a atmosferica. 
 
• P abs ou P é a pressão total exercida em uma dada superfície 
(sistema) e PMé a pressão manométrica. 
 
Ou seja: 
 Pabs = Pman + Patm 
 
 PM = P - Patm 
• O manômetro abaixo é usado para medir pressão em dutos de água. 
Determine a pressão manométrica da água quando o manômetro 
marca 0,6m. O mercúrio é 13,6 vezes mais denso que a água. 
• Peso específico da água = y 9810N/m3 
 
• Determine a diferença de pressão (Pa) entre os pontos A e B. 
Considere as massas específicas da água, benzeno, querosene, 
mercúrio e ar iguais a 979 kg/m3, 864 kg/m3, 788,5 kg/m3, 13310 
kg/m3 e 1,2 kg/m3, respectivamente. 
Densidade e Massa Especifica 
• É a razão entre a massa(m) do corpo ou da 
substancia ,pelo volume(V)do mesmo. 
 
• É representada por d ou μ. 
 
 μ = m 
 V 
Volume... 
• Volume é uma propriedade extensiva. 
 
• Volume por unidade de massa, ou seja volume específico (ν), é 
uma propriedade intensiva. 
 
• Seu inverso é a densidade (ρ): 
 
Ciclo de Carnot... 
• É um cilindro com paredes laterais de material perfeitamente isolante com um 
êmbolo também isolante perfeito. 
 
• O fundo do cilindro é de material perfeitamente condutor de calor e de massa 
desprezível. 
 
• E, naturalmente, uma determinada massa de um gás ideal no interior 
 
• Nessas condições, o gás só pode trocar calor através do fundo do cilindro. 
 
• Uma máquina que opera nessas condições usa ciclo de Carnot, que é 
considerado o ciclo básico da Termodinâmica por ser o mais eficiente. 
 
• É também é perfeitamente reversível, isto é, se trabalho for fornecido, ele funciona 
como bomba de calor ou refrigerador. 
 
• OBS: O ciclo de Carnot é uma operação ideal, não pode ser usado em máquinas 
práticas. 
 
• Um processo real, para ser próximo do isotérmico, precisaria ser tão lento que o 
seu uso seria inviável. 
 
Ciclo de Carnot... 
• Foi desenvolvido por pelo engenheiro Sadi Carnot (1796-1832), o seu 
uso é apenas teórico. 
 
• O ciclo Carnot é um ciclo ideal, partindo de transformações de gases 
perfeitos. 
 
• Seu funcionamento é composto por duas transformações adiabáticas 
e duas isotérmicas alternadamente e isso permite menor perda de 
energia (calor) para o meio externo (fonte fria). 
 
• O rendimento desse ciclo é aproximadamente 72% o qual alias, 
nunca atingido por um motor termico. 
• 1-2 = Compresão isotermica: Uma massa gasosa 
é introduzida no cilindro e depois comprimida pelo 
pistão “temperatura constante”, sendo o 
cilindro esfriado durante esta fase. 
 
• 2-3 = Compressão adiabatica: (não há troca 
de calor) Sendo interrompido o resfriamento do 
cilindro, continua-se a compressão rapidamente de 
modo que nenhuma troca de calor tenha lugar entre 
o gás e o cilindro. 
 
• 3-4 = expansãoisotermica: Ao passo que, 
durante a compressão isotérmica o cilindro deve ser 
resfriado, durante a expansão isotérmica, este 
mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a 
temperatura constante.. 
 
• 4-1 = expansão adiabatica: Continuando o 
repouso, faz-se cessar o reaquecimento do 
cilindro para que essa fase se efetue sem troca 
de calor com o cilindro e que a massa gasosa 
retome o volume e a pressão que possuía no 
início da primeira fase. 
 
Ciclo Otto (4 tempos) 
• Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos 
ressaltos de árvore de cames, 
 
• Uma designada por válvula de admissão, que permite a introdução no 
cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e 
 
• Outra designada como válvula de escape, que permite a expulsão para a 
atmosfera dos gases queimados, 
Primeiro tempo - ADMISSÃO 
 
• Válvula de admissão aberta 
 
• Válvula de escape fechada. 
 
• O pistão se desloca do PMS (ponto 
morto superior) ao PMI (ponto morto 
inferior) admitindo para dentro do 
cilindro a mistura combustível/ar. 
 
Segundo tempo - COMPRESSÃO 
 • Válvula de admissão fechada. 
 
• Válvula de escape fechada. 
 
• O pistão se desloca do PMI ao PMS, 
comprimindo a mistura. Antes de o pistão 
atingir o PMS, ocorre a faísca, dando 
origem à combustão. 
 
Terceiro tempo - EXPLOSÃO 
 
• Válvula de admissão fechada. 
 
• Válvula de escape fechada. 
 
• A combustão provoca a expansão dos 
gases que empurram o pistão, fazendo o 
se deslocar do PMS ao PMI. 
 
Quarto tempo - EXPULSÃO OU ESPAPE 
 • Válvula de admissão fechada. 
 
• Válvula de escape aberta. 
 
• O pistão se desloca do PMI ao PMS, 
empurrando para fora os gases queimados. 
 
• Após a expulsão dos gases o motor fica nas 
condições iniciais permitindo que o ciclo se 
repita. 
 
Ciclo Otto 
• Aplicações: Veículos de passeio, pequenos veículos de carga, pequenos 
aviões e pequenas embarcações. 
• 
 
Ciclo Diesel 
 • O Motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de 
combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel 
(1858-1913) . 
 
• No mesmo, a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado 
pela compressão de ar. Rodolf Diesel chegou a esse método quando 
aperfeiçoava máquinas a vapor. 
 
• O combustível utilizado pelos motores diesel tem normalmente uma 
alta nivel de octanagem, isto é, a capacidade que o combustível tem, em 
resistir a altas temperaturas na câmara de combustão, sem sofrer 
detonação. 
 
• Esses combustíveis são o biodiesel, hidrocarboneto, óleo vegetal, alcool 
e o diesel 
 
Diferenças entre um motor a gasolina e o 
motor diesel: 
 
 
• Enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que 
varia de 8:1 a 12:1, no motor diesel esta varia de 14:1 a 25:1. Dai a 
robustez entre um e outro. 
 
• Enquanto o motor a gasolina aspira a mistura ar/combustível para o 
cilindro o motor Diesel aspira apenas ar. 
 
• A ignição dos motores a gasolina se dá a partir de uma faisca elétrica 
fornecida pela vela de ignição antes da máxima compressão na camara 
de combustão. 
 
• Já no motor Diesel ocorre combustão do combustível pelas elevadas 
temperaturas (500 ºC a 650ºC) do ar comprimido na camara de 
combustão. 
 
Ciclo Mecânico Diesel - 4 Tempos 
• Válvula de admissão aberta, para 
entrada do ar; 
 
• Válvula de escape fechada; 
 
• O pistão se desloca do PMS ao 
PMI admitindo para dentro do 
cilindro apenas ar. 
 
Primeiro Tempo: Admissão: 
 
 
 
Segundo tempo: Compressão 
 
 
 
• Injeção de combustível pelo bico 
injetor 
 
• Válvula de admissão fechada; 
 
• Válvula de escape fechada; 
 
• O pistão se desloca do PMI ao 
PMS, comprimindo o ar. 
 
• Antes do pistão, atingir o PMS 
ocorre a injeção do combustível 
pelo bico injetor, que se mistura 
com o ar, que está aquecido devido 
à compressão, dando origem à 
combustão. 
 
Terceiro tempo: Expansão 
• Deslocamento do pistão pela força de 
expansão dos gases transformando a 
energia térmica em mecânica 
 
• Válvula de admissão fechada. 
 
• Válvula de escape fechada. 
 
• A combustão provoca a expansão dos 
gases que empurram o pistão, fazendo 
o se deslocar do PMS ao PMI. 
 
Quarto tempo: Escapamento 
• Resíduos da combustão são eliminados 
através da válvula de descarga. 
 
• Válvula de admissão fechada. 
 
• Válvula de escape aberta. 
 
• O pistão se desloca do PMI ao PMS, 
empurrando para fora os gases queimados 
 
Ciclos de Refrigeração: 
 • Sabemos que um prato de sopa quente ou uma xícara de café quente irão 
se esfriar quando expostos ao ar ambiente, ou seja, é possível transferir 
naturalmente, isso é, sem consumo de eletricidade, energia de uma fonte 
quente para uma fria. Entretanto, sabemos que o contrário não funciona. 
 
• Assim, para realizarmos a transferência de energia de uma fonte fria (por 
exemplo, dos alimentos e bebidas que colocamos dentro do espaço interno 
da geladeira) para o exterior, precisamos de uma máquina refrigeradora. 
 
• Como queremos que a máquina funcione continuamente, seu 
funcionamento deve ser pensado de tal forma que um ciclo seja 
percorrido. 
 
• Pelo comum, utiliza-se uma substância de trabalho, como por exemplo, 
refrigerante 134a, que percorre vários equipamentos, retornando 
ciclicamente a uma condição termodinâmica. 
O conjunto de equipamentos utilizados para compor o ciclo 
pode ser representado da forma abaixo: 
 
 
 • 1-2: compressão adiabática em um 
compressor 
 
• 2-3: processo de rejeição de calor a pressão 
constante 
 
• 3-4: estrangulamento em uma válvula de 
expansão (com a respectiva queda de pressão) 
 
• 4-1: absorção de calor a pressão constante, no 
evaporador 
Bombas de Calor: 
• São máquinas térmicas utilizadas no aquecimento de ambientes,tanto as bombas 
de calor quanto os refrigeradores, o mesmo ciclo termodinâmico é percorrido. 
 
• A diferença entre os dois diz respeito aos objetivos. Nos refrigeradores, o desejado 
é o resfriamento dos alimentos colocados dentro do ambiente frio. 
 
• Para que isso ocorra, é necessário que energia da concessionária seja cedida ao 
fluido (ou substância) de trabalho para que ele possa circular, transferindo energia 
do ambiente interno para o ambiente externo. 
 
• Por sua vez, as bombas de calor têm por objetivo o aquecimento dos ambientes 
quentes. 
 
• Novamente, para que isso ocorra, é necessário que energia da concessionária seja 
cedida ao fluido de trabalho para que ele possa percorrer o ciclo termodinâmico e 
liberar energia retirada do ambiente externo (frio) para o ambiente interno quente. 
Essencialmente a mesma coisa. 
Pos aula - Comparação dos Ciclos 
•