ENERGIA E PRIMEIRA LEI

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UTFPR – Termodinâmica 1
Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Princípios de Termodinâmica para Engenharia
 Capítulo 2
				
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Objetivos 
Organizar de uma maneira adequada as idéias sobre um conceito fundamental de termodinâmica: a energia;
Introduzir o conceito termodinâmico de energia como uma extensão de energia em Mecânica.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia Cinética
Para um corpo onde 
somente atua uma força F:
Como a energia cinética depende
apenas da massa e velocidade ela
é uma propriedade e é extensiva
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia Potencial
Para um corpo onde atua uma força R 
e está no campo gravitacional g:
Como a energia potencial depende
apenas da massa e altura ela
é uma propriedade e é extensiva
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia
Para um corpo em um campo 
gravitacional:
Energia é uma propriedade conservativa
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Trabalho Termodinâmico
Uma certa interação é classificada como trabalho se satisfazer a definição termodinâmica de trabalho, que diz: Um sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças se o único efeito sobre tudo aquilo externo ao sistema puder ser o levantamento de um peso;
Trabalho é um modo de transferir energia. Energia é transmitida e armazenada quando se realiza trabalho.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Exemplos de trabalho
Agitador realizando
trabalho sobre
o gás
Bateria que pode
ser ligada a
motor hipotético
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Convenção de Sinais 
W > 0: trabalho realizado pelo sistema;
W < 0: trabalho realizado sobre o sistema.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Trabalho: não- propriedade 
Como o valor de W depende dos detalhes das interações que ocorrem entre o sistema e suas vizinhanças, logo trabalho não é uma propriedade;
A diferencial δW é inexata, pois ela não pode ser calculada sem especificar os detalhes da interação. Por isso calcula-se do estado 1 para o estado 2, e não a diferença entre 1 e 2. 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Potencia
Potencia é a taxa na qual a transferência de energia ocorre. É basicamente o trabalho por unidade de tempo.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Trabalho de Pressão e Compressão
Para o sistema cilindro- pistão abaixo, tem-se: 
Como dV é positivo quando o volume aumenta,
logo o trabalho é positivo quando o gás se
expande;
Como dV é negativo quando o volume diminui,
logo o trabalho é negativo quando o gás é 
comprimido;
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Pressão e Compressão Reais
Como a relação da pressão com o volume é complicada de ser encontrada, algumas vezes é necessário se realizar estimativas com dados experimentais;
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Pressão e Compressão em Quase- Equilíbrio
É aquele em que todos os estados por onde o sistema passa podem ser considerados estados de equilíbrio;
Se tirarmos uma massinha a expansão afetaria ligeiramente o equilíbrio;
Se retornarmos a massa o sistema retorna ao estado inicial; 
Massas infinitesimais removidas
durante uma expansão do
gás ou líquido
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Relação Gráfica
Área B
Área A
Como Área A ≠ Área B,
novamente trabalho não
é propriedade ! 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Relação Analítica
São formas analíticas para a relação pressão- volume;
Existem várias relações, a mais usada é a expressão para um processo politrópico, que descrita abaixo:
onde n é uma constante que depende do processo.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Outros exemplos: alongamento de uma barra
Tensão normal de tração
Trabalho realizado sobre a barra
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Estiramento de uma película líquida
Tensão superficial
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Potência transmitida por eixo
Velocidade angular
Torque
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Trabalho elétrico
Diferença de potencial
Quantidade de carga elétrica
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Trabalho de polarização e magnetização
Microscopicamente: Trabalho de alinhar por meio de um campo elétrico os dipolos de um sistema;
Macroscopicamente: Trabalho realizado pelo pólo magnético no sistema e suas vizinhanças.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Forças e deslocamentos generalizados
Em cada caso, a expressão do trabalho é escrita sob a forma de uma propriedade intensiva e a diferencial de uma propriedade extensiva;
Devido a noção de que trabalho é o produto força por deslocamento, a propriedade intensiva é às vezes chamada de força “generalizada”, enquanto a propriedade extensiva é chamada de deslocamento “generalizado”.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica
O valor do trabalho líquido realizado por ou sobre um sistema fechado submetido a um processo adiabático entre dois estados dados depende somente dos estados inicial e final, e não dos detalhes do processo adiabático. 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia Interna
A energia é constituída de três contribuições macroscópicas:
Energia cinética, associada ao movimento do sistema como um todo;
Energia potencial, associada com a posição do sistema com um todo em um campo gravitacional;
Energia interna, que são todas as outras energias reunidas. 
Também é uma propriedade extensiva;
É simbolizada pela letra U.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Variação de energia
O trabalho líquido em um processo adiabático é gerada pela alteração de alguma propriedade;
Essa propriedade é chamada de energia;
A variação e energia entre dois estados é definida por:
Nenhum valor de energia possuí significado em um único estado, somente variação de energia possuí significado.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Variação total de energia em um sistema
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia Interna Microscópica
É a energia atribuída aos movimentos e configurações da moléculas, átomos e partículas subatômicas;
Como por exemplo: a translação, rotação vibração das moléculas, ligações atômicas, forças de ligação, ligações inter-moleculares, ...
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Aumento de energia em sistemas fechados 
Sistemas que realizam interações térmicas com as suas vizinhanças são conhecidos como não-adiabáticos;
Essas interações são trocas de calor que devem ser levadas em conta no balanço de conservação de energia;
Nos sistemas fechados as interações de troca de calor são formas de transferência de energia, assim como o trabalho.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Conservação de energia
1
2
Adiabático
Não-Adiabático
Não-Adiabático
Para o sistema ter a mesma variação de energia, a transferência de energia líquida tem que ser a mesma, por isso acrescenta-se o termo de calor.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Transferência por calor
A transferência de energia por calor é induzida apenas como resultado de uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança, e ocorre somente na direção decrescente de temperatura;
Esta quantidade de transferência é designada pela letra Q.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Convenção de Sinais 
Q > 0: calor transferido para o sistema;
Q < 0: calor transferido do sistema.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Calor: não- propriedade 
Como o valor de Q depende dos detalhes das interações que ocorrem entre o sistema e suas vizinhanças, logo calor não é uma propriedade;
Os limites de integração significam do estado 1 para o estado 2, e não se referem aos valores do calor nestes estados. 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Taxa de transferência de calor
Quantidade de energia transferida sob a forma de calor durante um determinado período de tempo.
Também pode-se utilizar o fluxo de calor, que é a taxa de transferência de calor por unidade de área.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Condução
Transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para as partículas adjacentes menos energéticas;
Condutividade térmica
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Radiação
É a radiação emitida pela matéria como resultado de mudanças na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas;
Pode ocorrer no vácuo.
Constante de Stefan-Boltzmann
Emissividade
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Convecção
É a transferência de calor entre um superfície sólida a uma temperatura e um fluído em movimento em uma outra temperatura.
Coeficiente de troca de calor por convecção
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Valores de coeficientes de convecção
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Quando desprezar a transferência de Calor ?
Quando os materiais que cercam o sistema são bons isolantes;
Quando a diferença de temperaturas entre o sistema e suas vizinhanças não é significativa;
Quando não haver uma área superficial suficiente para permitir uma transferência de calor significativa. 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Balanço de Energia em Sistema Fechado
variação
da quantidade
de energia 
contida no
sistema 
durante um
certo intervalo
de tempo
quantidade líquida
da energia transferida
para dentro através
da fronteira do
sistema por
transferência de
calor durante o
intervalo de tempo
quantidade líquida
da energia 
transferida para 
fora através
da fronteira do
sistema por
trabalho durante o
intervalo de tempo
=
-
Logo:
ΔEC + ΔEP + ΔU = Q - W
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Outras formas do balanço de energia
Forma diferencial:
Taxa temporal:
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Balanço de energia instantâneo
taxa de
variação
temporal
da energia 
contida no
sistema no
instante t
taxa líquida na
qual a energia
está sendo
transferida para
dentro por
transferência de
calor no instante t
taxa líquida
na qual a
energia está 
sendo transferida
para fora por
trabalho no 
instante t
=
-
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Localização da fronteira
Sistema
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Localização da fronteira
Sistema
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Localização da fronteira
Sistema
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Linguagem de Engenharia
Uma maneira menos formal de se falar, que é comumente usada na prática de engenharia, é falar transferência de calor ou de trabalho, ao invés de falar transferência de energia por calor ou por trabalho, respectivamente.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Simplificações
Geralmente em estudos de termodinâmica o balanço de energia não envolve variações significativas de energia cinética e potencial;
Muitas vezes está simplificação fica explicita na enunciados dos exercícios;
Porém outras vezes fica ao critério de quem está resolvendo os problemas.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Balanço de Energia para um Ciclo
Uma vez que o sistema retorna ao seu estado inicial após o ciclo, não há variação líquida de energia;
Esta expressão tem que ser satisfeita por todos os ciclos termodinâmicos, independente dos processos envolvidos.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Ciclos de Potência
Sistemas que fornecem uma transferência líquida de energia sobre a forma de trabalho;
Qentra representa o calor do corpo quente que vai para dentro do sistema;
Qsai calor que sai do sistema para o corpo frio.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Eficiência Térmica
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Ciclos de Refrigeração e Bomba de Calor
Sistemas que recebem uma transferência líquida de energia sobre a forma de trabalho;
Qentra representa o calor do corpo frio que vai para dentro do sistema;
Qsai calor que sai do sistema para o corpo quente.
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Refrigeração X Bomba de Calor
O objetivo de um ciclo de refrigeração é reduzir a temperatura de um espaço refrigerado ou manter a temperatura dentro de um residência ou de outra construção abaixo daquela do meio ambiente;
O objetivo de uma bomba de calor é manter a temperatura dentro de um residência ou de outra construção acima daquela do meio ambiente ou fornecer aquecimento para certos processos industriais que ocorrem a temperaturas elevadas;
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Refrigerador
Compartimento interior
age como corpo frio
Ar externo age 
como corpo quente
Qentra vai dos alimentos ao fluído de refrigeração
Qsai passa do fluído
para o ar externo
Fornecimento de trabalho
na forma elétrica
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Desempenho Térmico
Refrigração
Bomba de Calor
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Ciclos Reais
Ciclos de potência reais tem eficiência térmica invariavelmente menor do que a unidade devido ao fato de que nem toda a energia é convertida em trabalho, este conceito é mais bem explicado utilizando a segunda lei da termodinâmica;
Deseja-se que os desempenhos térmicos de ciclos de refrigeração e bomba de calor sejam os maiores possíveis, mas isso não é possível, pois há restrições impostas pela segunda lei. 
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Energia e a Primeira Lei da Termodinâmica
Referências
MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.