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Sistemas térmicos e energéticos

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O estado físico de uma substância pura é definido por duas variáveis independentes: temperatura, pressão e/ou volume específico (em pares). Após a determinação de duas das variáveis, as demais propriedades tornam-se dependentes.
 
Titulo: é uma propriedade que quantifica a porção de líquido existente no vapor saturado. Tal propriedade informa a percentagem de vapor contida em uma mistura e é representada pela letra x, conforme equação abaixo
mv = massa vapor ml= massa liquido
O líquido que se encontra em temperatura inferior e/ou na pressão superior às de saturação é conhecido como sub-resfriado.
O vapor que possua menor pressão e/ou maior temperatura que as de saturação é definido como superaquecido.
EQUAÇÃO DE ESTADO PARA GASES PERFEITOS:
 
Ponto crítico: Esse ponto representa, principalmente, a temperatura máxima em que o líquido pode existir.
Lei Zero: Também conhecida como Princípio do Equilíbrio Térmico, define que quando dois corpos de temperaturas diferentes estão em contato, calor fluirá do corpo mais quente para o corpo mais frio até que a temperatura dos dois corpos seja a mesma. Da mesma forma, se dois corpos estiverem em equilíbrio com um terceiro, estarão em equilíbrio entre si, ou seja, com a mesma temperatura.
1ª Lei: Também conhecida como Princípio da Conservação da Energia, esta lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, somente transformada. Na consideração mais simples, somente para energia térmica, a soma do trabalho (W) realizado ou recebido por um sistema e do calor (Q) trocado por ele é igual a sua variação de energia interna (U). Ou seja:
 
 
2ª Lei: Esta lei relata que os processos ocorrem espontaneamente em uma determinada direção, sendo necessário realizar um gasto energético para forçar a operação contrária. É o caso do fluxo de calor de um objeto quente para outro mais frio. Esta questão de irreversibilidade do sistema é mensurada por uma grandeza chamada Entropia, a qual mede a parcela de energia que não pode mais ser transformada em trabalho em transformações termodinâmicas. Para processos naturais e em sistemas isolados, a Entropia sempre aumenta e é máxima quando o sistema se encontra em equilíbrio.
3ª Lei: Esta lei especifica, pelo Princípio de Nernst, que a Entropia é nula quando o sistema se encontra no zero absoluto de temperatura, ocorrendo para todos os cristais perfeitos. Para outras substâncias, pode-se afirmar que a entropia é mínima em 0K e que em qualquer outra situação será sempre positiva.
			 MÁQUINAS TÉRMICAS
Máquinas térmicas realizam trabalho a partir da diferença de temperatura entre duas fontes, a fria e a quente. Na retirada de calor de uma fonte quente, parte dessa energia realiza trabalho, enquanto a outra parte é descartada para a fonte fria. Quanto menor a perda de calor para a fonte fria, maior a eficiência da máquina térmica
O ciclo de Carnot considera uma sequência de transformações gasosas reversíveis frente a duas fontes térmicas (Figura 10). Quanto maior a temperatura da fonte quente, maior é o rendimento da máquina operando neste ciclo, desde que a substância se comporte como um gás ideal.
 
 
As máquinas térmicas podem ser classificadas em função do sistema em que trabalham. Em sistemas abertos são chamadas de máquinas dinâmicas com característica motora, transformando energia térmica em energia cinética, como em turbinas, ou geradora, transformando energia cinética em energia térmica, na forma de pressão (turbocompressores).
 As máquinas térmicas volumétricas são aplicadas em sistemas fechados, também se dividindo em motoras e geradoras. As motoras são constituídas por um fluido com elevada energia térmica, que movimenta um embolo ou pistão. Nas geradoras, o fluido tem sua energia térmica e/ou pressão aumentada devido à redução forçada de seu volume por causa da realização de um trabalho externo sobre o fluido.
Atualmente, os instrumentos mais utilizados são o psicrômetro e o digital, este com base em princípios elétricos.
UMIDADE RELATIVA: A umidade relativa (UR) nos informa quão perto da saturação o ar úmido se encontra, sendo o valor de 0% a ausência de vapor d’água e 100% a saturação deste ar, em uma determinada temperatura e pressão
OLHAR EXERCICIOS
Refrigeração é o processo de retirada de calor de um objeto ou ambiente com o objetivo de reduzir a sua temperatura.
Os refrigerantes líquidos mais importantes são: amônia (R717), tricloromonofluormetano (Freon-11 ou R-11), diclorodifluormetano (Freon-12 ou R-12), monoclorodifluormetano (Freon-22 ou R-22) e tetracloretodecarbono (R-10).
Para ser considerado um bom fluido refrigerante, esse precisa:
• condensar-se a médias pressões e evaporar-se em pressões acima da atmosférica; • ter baixo volume específico e elevado calor latente de vaporização; • ser quimicamente estável e inodoro; • não ser corrosivo, inflamável ou tóxico; * permitir a localização de vazamentos; • ser miscível a óleo lubrificante sem degradá-lo; • não danificar outros materiais da unidade; • não deve deteriorar os alimentos, contribuir para o aquecimento global ou atacar a camada de ozônio.
Não há um fluido refrigerante que reúna todas estas propriedades, sendo necessário selecioná-lo de acordo com os pontos críticos da instalação. Os fluidos refrigerantes podem ser classificados de acordo com o processo de absorção ou extração do calor das substâncias a serem refrigeradas: 
Classe 1: O processo de resfriamento ocorre por absorção do calor latente (CFCs, HCFCs, HFCs); 
Classe 2: O processo de resfriamento ocorre pela absorção de calor sensível (ar, solução de cloreto de cálcio ou de sódio, álcool)
; Classe 3: São soluções que contêm vapores absorvidos de agentes liquidificáveis, produzindo o resfriamento pela absorção do calor latente (amoníaco).
Os compressores podem ser classificados em função das características do processo de compressão:
 Máquinas de deslocamento positivo: elevam a pressão do vapor do fluido refrigerante reduzindo seu volume em uma câmara de compressão, por meio da aplicação de uma força mecânica. Nessa classificação, enquadram-se os compressores alternativos, de parafusos, de palhetas e Scroll.
 Máquinas de fluxo: a elevação de pressão ocorre pela conversão da pressão dinâmica em pressão estática, estando classificado nessa categoria o compressor centrífugo. Em relação ao projeto do compressor, esse se divide em: 
 Hermético: tanto o compressor e o motor de acionamento são alocados dentro de uma carcaça, com entrada e saída para as conexões elétricas. O compressor opera somente com refrigerantes halogenados, cujo vapor resfria o enrolamento do motor por contato direto. São aplicados em refrigeradores domésticos e condicionadores de ar com potências de 30kW, aproximadamente. 
 Semi-hermético: diferencia-se do hermético por permitirem a remoção do cabeçote, possibilitando o acesso aos pistões e às válvulas.
 Aberto: o compressor é acionado por um motor externo por meio de um eixo que atravessa a carcaça. É adequado para operar com amônia e fluidos halogenados.
condensador tem a função de liquefazer o fluido refrigerante, retirando seu calor latente. O vapor entra no condensador superaquecido e a fração de líquido e de vapor no escoamento varia ao longo do condensador até sair completamente no estado líquido. Diversos tipos de condensadores podem ser utilizados conforme as características do sistema de refrigeração.
Condensadores resfriados a água bem condicionados operam de forma mais eficiente que os condensadores resfriados a ar, principalmente em períodos de elevada temperatura ambiente. Esses condensadores costumam utilizar água proveniente de uma torre de resfriamento, sendo os mais utilizados
O evaporador é um dos quatro componentes principais de um sistema de refrigeração, tendo a finalidade de retirar calor do meio a ser resfriado. Dessa forma, osevaporadores podem ser classificados de acordo com a substância a ser resfriada:
 Evaporador para ar: o fluido refrigerante resfria o ar que escoa pela superfície externa do equipamento ao vaporizar no interior de tubos. O ar resfriado é aplicado, então, em câmaras de resfriamento, balcões frigoríficos e salas climatizadas, por exemplo. 19 Evaporador para líquidos: o líquido é resfriado até uma determinada temperatura e bombeado para outros equipamentos, como serpentinas de câmaras frigoríficas, para o resfriamento de outro meio. Os tipos de evaporadores para líquidos mais utilizados são: casco e tubo, casco e serpentina, cascata (Baudelot) e placas. Evaporador de contato: é um caso particular do evaporador tipo placa, utilizado para o congelamento de produtos (sólidos, pastosos ou líquidos), como serpentinas de prateleiras em congeladores.
O dispositivo de expansão tem a função de despressurizar o fluido refrigerante da pressão de condensação até a de vaporização, além de regular a vazão do fluido que chega ao evaporador. As válvulas de expansão termostática (VET) são as mais utilizadas nos sistemas de refrigeração de expansão direta, pois ajustam o fluxo de fluido que entra no evaporador, conservando certo grau de superaquecimento do vapor na saída. As válvulas de expansão eletrônicas promovem um melhor controle do fluxo de refrigerante, economizando energia. Existem três tipos básicos: as acionadas por motores de passo; as de pulsos de largura modulada; e as analógicas. 
Quando a água é utilizada como fluido refrigerante, como em sistemas de refrigeração de ar condicionados e processos industriais, ela é resfriada utilizando-se torres de resfriamento.
A utilização da máquina térmica é uma das formas de produção de potência útil. Na prática, a grande parte das fontes frias utilizadas está disponível na natureza, como a atmosfera, os rios e lagos. Em contrapartida, as fontes quentes costumam trabalhar em temperaturas bastante elevadas, sendo obtidas artificialmente no processo industrial. A forma mais comum é a combustão controlada utilizando-se materiais combustíveis e ar atmosférico. Este princípio é utilizado em fornalhas de fornos e caldeiras, como também em motores de combustão interna.
Combustível é a substância que, ao reagir com um agente oxidante (comburente), libera energia suficiente para seu aproveitamento na forma de calor e/ou trabalho.
 Massa molar, massa específica e viscosidade;
 Poder Calorífico Superior (PCS): Energia total liberada na combustão de uma substância resfriando os gases até a temperatura ambiente; 4 
 Poder Calorífico Inferior (PCI): Energia liberada na combustão de uma substância até uma temperatura superior à de condensação da água (energia útil);
COMBUSTÃO Para a avaliação de um processo de combustão, é necessário ter conhecimento da equação química referente a este processo. Esta equação indica os reagentes e os produtos da reação.
𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂
A combustão é considerada completa quando todo o combustível é queimado, gerando CO2 e água. Se for observado o aparecimento de CO, C e moléculas de combustível nos produtos da combustão, tem-se uma combustão incompleta. Normalmente, o comburente é o oxigênio do ar.
Dessa relação entre ar e combustível, surge o conceito de riqueza da mistura (r). Considera-se uma mistura rica aquela com excesso de combustível, e portanto com falta de ar para a combustão completa. Em contrapartida, o excesso de ar resulta em uma mistura pobre. Essa classificação é realizada baseando-se na razão entre a quantidade de oxigênio estequiométrico (O2 esteq) e a quantidade real de oxigênio (O2 real) utilizada na queima, conforme demonstrado a seguir.
 𝑟 = (𝑂2 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞 /𝑂2 𝑟𝑒𝑎𝑙 )
r = 1 mistura estequiométrica, combustão neutra 
r < 1 excesso de ar (mistura pobre), combustão oxidante
 r > 1 excesso de combustível (mistura rica), combustão redutora.
o excesso de ar (e) é definido como: 𝑒 =( (1 − 𝑟 )/ 𝑟 ). 100 [%]
Caldeiras As caldeiras são compostas por mais componentes se comparadas aos fornos, uma vez que possuem, além da parte de combustão, componentes referentes à geração de vapor.
A eficiência térmica de um equipamento a combustão mede a habilidade deste em transferir a energia do processo de combustão para o produto final na forma de calor e/ou trabalho.
Existe uma temperatura mínima em que um combustível começa a desprender vapores que, se entrarem em contato com alguma fonte externa de calor, inflamam-se, mas a chama não se mantém, não se sustenta, por não existirem vapores suficientes. Essa temperatura é denominada PONTO DE FULGOR
 
O produto final de uma turbina a vapor é a potência gerada para aproveitamento de outro equipamento acoplado em seu eixo. Essa potência (𝑾̇) é calculada por: 𝑊̇𝑇=𝑚̇(ℎ1−ℎ2)
Onde: 𝒎̇ = vazão mássica do vapor. 
h1 = entalpia específica do vapor na entrada.
h2 = entalpia específica do vapor na saída
Na prática, algumas modificações são realizadas no ciclo Rankine para o aumento da eficiência. Essas modificações são realizadas com o objetivo de aumentar a temperatura de transferência de calor para o fluido na caldeira, e de reduzir a temperatura na qual o calor é rejeitado pelo fluido no condensador.
ESTUDAR AULA 05 E 06 EXERCICIOS
Em relação à aplicação, os motores de combustão interna podem ser divididos em: Estacionários: utilizados em equipamentos fixos, como bombas e geradores. Industriais: normalmente utilizado pela construção civil em equipamentos portáteis e veículos, como tratores, compressores de ar e máquinas de mineração. Veiculares: para acionamento de veículos de transporte em geral, como carros particulares, ônibus e caminhões. Marítimos: para propulsão de barcos e máquinas de aplicação naval.

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