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Introdução e Conceitos Básicos I MEC-1507 Sistemas Térmicos I Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza Termodinâmica e Energia A termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. Energia pode ser definida como a capacidade de causar alterações. 3 Termodinâmica e Energia A termodinâmica lida com os aspectos da energia e as transformações de energia: Geração de energia elétrica; Refrigeração; Motores térmicos; Etc. 4 Termodinâmica e Energia Princípio da conservação da energia “Durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total permanece constante”. A energia não pode ser criada ou destruída. 5 Termodinâmica e Energia Princípio da conservação da energia A alteração no conteúdo de energia de um corpo ou de um sistema é igual à diferença entre a entrada de energia e a saída de energia. 6 Termodinâmica e Energia A primeira lei da termodinâmica é apenas uma expressão do princípio de conservação da energia. Ela também afirma que a energia é uma propriedade termodinâmica. 7 Termodinâmica e Energia A segunda lei da termodinâmica diz que a energia tem qualidade, assim como quantidade. Ela também diz que os processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade da energia. 8 Termodinâmica e Energia A termodinâmica só surgiu como ciência após a construção dos primeiros motores a vapor na Inglaterra. Thomas Savery (1697) 9 Termodinâmica e Energia A termodinâmica só surgiu como ciência após a construção dos primeiros motores a vapor na Inglaterra. Thomas Newcomen (1712) 10 Termodinâmica e Energia A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência dos trabalhos de: William Rankine 11 Termodinâmica e Energia A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência de trabalhos de: Rudolph Clausius 12 Termodinâmica e Energia A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência de trabalhos de: William Tompson (Lord Kelvin) 13 Termodinâmica e Energia Uma substância consiste em um grande número de partículas chamadas moléculas. As propriedades da substância naturalmente dependem do comportamento dessas partículas. 14 Termodinâmica e Energia A pressão de um gás em um recipiente é o resultado da transferência de quantidade de movimento entre as moléculas e as paredes do recipiente. Entretanto, não é preciso saber o comportamento das partículas de gás para determinar a pressão no recipiente. 15 Termodinâmica e Energia Essa abordagem macroscópica do estudo da termodinâmica, que não exige conhecimento do comportamento das partículas individuais é chamada de termodinâmica clássica. Modo direto e fácil para a solução dos problemas de engenharia. 16 Termodinâmica e Energia Uma abordagem mais elaborada, com base no comportamento médio de grandes grupos de partículas individuais é chamada de termodinâmica estatística. Abordagem bastante sofisticada e normalmente utilizada apenas como suporte. 17 Termodinâmica e Energia Áreas de Aplicação da Termodinâmica Todas as atividades da natureza envolvem alguma interação entre energia e matéria. É difícil imaginar uma área que não se relacione à termodinâmica de alguma maneira. A termodinâmica é encontrada normalmente em muitos sistemas de engenharia e em outros aspectos da vida. 19 Áreas de Aplicação da Termodinâmica O coração está constantemente bombeando sangue para todas as partes do corpo humano, diversas conversões de energia ocorrem em trilhões de células do corpo e o calor gerado no corpo é constantemente rejeitado para o ambiente. 20 Áreas de Aplicação da Termodinâmica O conforto humano está intimamente ligado a essa taxa de rejeição do calor metabólico. 21 Áreas de Aplicação da Termodinâmica O conforto humano está intimamente ligado a essa taxa de rejeição do calor metabólico. 22 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica. Sistemas de condicionamento de ar 23 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica. Refrigeradores e freezers 24 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica. Panelas de pressão Resfriadores de água 25 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica. Chuveiros elétricos 26 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em: Projeto das usinas de geração de potência 27 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em: Coletores solares 28 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em: Centrais heliotérmicas 29 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em: Motores de automóveis 30 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em: Motores de aviões 31 Áreas de Aplicação da Termodinâmica Sistema e Volume de Controle Sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região no espaço selecionada para estudo. A massa ou região fora do sistema é chamada de vizinhança. 33 Sistema e Volume de Controle A superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança é chamada de fronteira. A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel. Os sistemas podem ser considerados fechados ou abertos, dependendo da seleção de uma massa fixa ou de um volume fixo para o estudo. 34 Sistema e Volume de Controle Um sistema fechado (também conhecido como massa de controle) consiste em uma quantidade fixa de massa. Neste, nenhuma massa pode atravessar a fronteira, seja entrando ou saindo. Entretanto, a energia na forma de calor ou trabalho pode cruzar a fronteira. 35 Sistema e Volume de Controle Considera-se o arranjo pistão-cilindro abaixo: 36 Sistema e Volume de Controle Deseja-se descobrir o que acontece ao gás que está confinado quando é aquecido. Como o foco é o gás, ele é o sistema As superfícies internas do pistão e do cilindro formam a fronteira Como nenhuma massa está cruzando a fronteira, trata-se de um sistema fechado A energia pode atravessar a fronteira e parte dessa fronteira pode se mover Tudo o que estiver fora do gás, incluindo o pistão e o cilindro, é a vizinhança 37 Sistema e Volume de Controle Um sistema aberto (também conhecido como volume de controle) é uma região cuidadosamente selecionada no espaço. Em geral, ele inclui um dispositivo que envolve fluxo de massa, como um compressor, uma turbina ou um bocal. O escoamento através desses dispositivos pode ser melhor estudado selecionando-se a região dentro do dispositivo como o volume de controle. 38 Sistema e Volume de Controle Um grande número de problemas de engenharia envolve fluxos de massa para dentro e para fora de um sistema e, portanto, são modelados como volumes de controle. Exemplos: Aquecedor de água; Radiador de automóvel; Turbina e compressor. 39 Sistema e Volume de Controle Toda região arbitrária no espaço pode ser selecionada como um volume de controle. Uma escolha adequada do volume de controle simplifica a análise. 40 Sistema e Volume de Controle As fronteiras de um volume de controle são chamadas de superfície de controle, e podem ser reais ou imaginárias. 41 Sistema e Volume de Controle Um volume de controle pode ter tamanho e forma fixos, como no caso de um bocal, ou pode envolver uma fronteira móvel. A maioria dos volumes de controle, porém, tem fronteiras fixas e, assim, não envolve nenhuma fronteira móvel. Em um volume de controle também pode haver interações de calor e trabalho, como em um sistema fechado, além de interação de massa. 42 Sistema e Volume de Controle Como exemplo de um sistema aberto, considera-se o aquecedor de água mostrado ao lado. Deseja-se determinar quanto calor deve ser transferido para a água do tanque a fim de obter uma corrente constante de água quente. 43 Sistema e Volume de Controle Como a água quente sairá do tanque e será substituída pela água fria, não é conveniente escolher uma massa fixa como o sistema para a análise. Ao invés disso, pode-se focar a atenção para o volume formado pelas superfícies interiores do tanque e considerar as correntes de água quente e fria como massa que sai e entra do volume de controle. 44 Sistema e Volume de Controle Em uma análise de engenharia, o sistema em estudo deve ser definido com cuidado. Na maioria dos casos, os sistemas investigados são bastante simples e óbvios e a definição do sistema pode parecer uma tarefa simples. Em outros casos, porém, o sistema em estudo pode ser muito complexo, e uma escolha adequada do sistema pode simplificar bastante a análise. 45 Sistema e Volume de Controle 46 Sistema e Volume de Controle Propriedades de um Sistema Qualquer característica de um sistema é chamada de propriedade. Algumas propriedades termodinâmicas conhecidas são: Pressão (P); Temperatura (T); Volume (V); Massa (m). 48 Propriedades de um Sistema As propriedades podem ser classificadas em intensivas e extensivas. As propriedades intensivas são independentes da massa de um sistema. Temperatura; Pressão; Densidade. As propriedades extensivas são valores que dependem da extensão do sistema. Massa; Volume; Quantidade de movimento. 49 Propriedades de um Sistema 50 Propriedades de um Sistema As propriedades extensivas quando representadas por unidade de massa são chamadas de propriedades específicas. 51 Propriedades de um Sistema A matéria é formada por átomos que se encontram amplamente espaçados na fase gasosa. Entretanto, é bastante conveniente ignorar a natureza atômica de uma substância e vê-la como uma matéria contínua, homogênea e sem continuidades. Ou seja: um meio contínuo. 52 Propriedades de um Sistema A idealização do contínuo permite tratar as propriedades como funções pontuais e considerar que as propriedades variam continuamente no espaço sem saltos de descontinuidade. Essa idealização é válida desde que tamanho do sistema considerado seja grande com relação ao espaçamento entre as moléculas. 53 Propriedades de um Sistema Esse é o caso de praticamente todos os problemas, com exceção de alguns mais específicos. A idealização do contínuo está implícita em muitas de nossas afirmações, como “a densidade da água em um copo é a mesma em qualquer ponto”. 54 Propriedades de um Sistema O modelo do contínuo se aplica apenas enquanto o comprimento característico do sistema for muito maior do que o percurso livre médio das moléculas. Em vácuos muito altos ou altitudes muito grandes, o percurso livre médio pode se tornar grande (por exemplo, ele é de cerca de 0,1 m para o ar atmosférico a uma altitude de 100 km). 55 Propriedades de um Sistema Nesses casos, a teoria do escoamento de gás rarefeito deve ser utilizada, e o impacto de moléculas individuais deve ser considerado. No escopo desta disciplina, o foco é limitado à substâncias que podem ser modeladas como um contínuo. 56 Propriedades de um Sistema Densidade e Densidade Relativa A densidade ρ é definida como massa por unidade de volume. O inverso da densidade é o volume específico v, definido como volume por unidade de massa. 58 Densidade e Densidade Relativa 58 59 Densidade e Densidade Relativa 59 Em geral, a densidade de uma substância depende da temperatura e da pressão. A densidade da maioria dos gases é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura. Os líquidos e sólidos, por outro lado, são substâncias essencialmente incompressíveis, e a variação de suas densidades com a pressão é geralmente desprezível. 60 Densidade e Densidade Relativa 60 Comportamento anômalo da água https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua 61 Densidade e Densidade Relativa 61 Comportamento anômalo da água https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua 62 Densidade e Densidade Relativa 62 A 20°C a densidade da água varia de 998 kg/m³ a 1 atm a 1003 kg/m³ a 100 atm (0,5%). A 1 atm a densidade da água varia de 998 kg/m³ a 20°C a 975 kg/m³ a 75°C (2,3%). As densidades de líquidos e sólidos dependem muito mais da temperatura do que da pressão. 63 Densidade e Densidade Relativa 63 Às vezes a densidade de uma substância é dada de forma relativa à densidade de uma substância padrão. Neste caso, ela passa a ser chamada de densidade relativa (ρr) ou gravidade específica (SG) . A substância padrão normalmente é a água a 4°C, para qual ρ =1000 kg/m³. 64 Densidade e Densidade Relativa 64 A densidade relativa do mercúrio a 0°C, por exemplo, é de 13,6. Assim, sua densidade a 0°C é de 13,6 x 1000 = 13.600 kg/m³. 65 Densidade e Densidade Relativa 66 Densidade e Densidade Relativa As densidades dos líquidos são praticamente constantes, portanto eles são considerados substâncias incompressíveis durante a maioria dos processos sem grandes prejuízos. 67 Densidade e Densidade Relativa O peso específico, γ, de uma substância é outra propriedade útil. Ele é definido como o peso de uma substância por unidade de volume e dado como: Densidade e Densidade Relativa 68
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