Termodinâmica - Eng Aer - 1 - R01

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Termodinâmica
Engenharia Aeronáutica
Prof. Marco Aurélio Mendes Justino
01/2019
1
❑Sistema;
❑Vizinhanças;
❑Fronteira;
❑Tipos de sistemas:
o Fechado;
o Isolado;
o Volume de controle.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
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CONCEITOS E DEFINIÇÕES
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❑Propriedade: característica macroscópica do sistema;
❑Estado: condição do sistema descrita por suas
propriedades;
❑Processo: se verifica quando acontece mudança de
propriedade e há transformação de um estado para outro;
❑Regime permanente: as propriedades do sistema não
variam com o tempo;
❑Ciclo: sequência de processos que inicia e termina num
mesmo estado;
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
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❑Propriedades extensivas e intensivas;
❑Fase: quantidade de matéria homogênea em composição
química e estrutura física;
❑Substância pura: composição química uniforme e
invariável;
❑Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). Estado
de equilíbrio;
❑Processo em quase-equilíbrio (ou quase estático).
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
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CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Passos para a resolução de um problema:
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1. Estabeleça de forma breve e concisa (com suas próprias
palavras) a informação dada;
2. Identifique a informação que deve ser encontrada;
3. Faça um desenho esquemático do sistema ou do volume
de controle a ser usado na análise. Certifique-se de
assinalar as fronteiras do sistema ou do volume de
controle, juntamente com as direções e sentidos
apropriados das coordenadas;
4. Apresente a formulação matemática das leis básicas que
você considera necessárias para resolver o problema;
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Passos para a resolução de um problema:
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5. Relacione as considerações simplificadoras que você
considera apropriadas para o problema;
6. Complete a análise algebricamente, antes de introduzir
valores numéricos;
7. Introduza os valores numéricos dados (usando um sistema
consistente de unidades) para obter a resposta numérica
desejada;
8. Verifique a resposta e reveja as considerações feitas na
solução a fim de assegurar que elas são razoáveis;
9. Destaque a resposta.
Um gerador eólico turbo-elétrico é montado no topo de uma torre. A eletricidade é
gerada à medida em que o vento incide constantemente através das pás da turbina. A saída
elétrica do gerador alimenta uma bateria.
a) Considerando apenas o gerador eólico turbo-elétrico como um sistema, identifique
os locais nas fronteiras do sistema onde o sistema interage com as vizinhanças.
Descreva as mudanças que ocorrem no sistema ao longo do tempo.
b) Repita a análise para um sistema que inclua somente a bateria.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Exemplo 1.1
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A água circula entre um tanque de estocagem e um coletor solar. A água aquecida
do tanque é utilizada para fins domésticos. Considerando o coletor solar como um sistema,
identifique as posições nas fronteiras onde este interage com as vizinhanças e descreva o
que acontece no interior do sistema. Repita a análise para um sistema aumentado que inclua
o tanque de estocagem e a tubulação de conexão.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.3
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O vapor escoa através de uma válvula conectada em série a uma turbina. A turbina
aciona um gerador elétrico. Considerando a válvula e a turbina como um sistema, identifique
as posições na fronteira onde o sistema interagem com suas vizinhanças e descreva o que
acontece no interior do sistema. Repita a análise para um sistema que inclua o gerador.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.4
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A água utilizada para conter incêndio é extraída de um lago por meio de uma
bomba acionada por um motor a gasolina. Considerando a bomba como um sistema,
identifique as posições na fronteira onde o sistema interage com suas vizinhanças e descreva
o que acontece no interior do sistema. Repita a análise para um sistema que inclua o motor, a
mangueira e o bocal.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.5
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Unidades para massa, comprimento, tempo e força
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
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Quantidade
SI Inglês
Unidade Símbolo Unidade Símbolo
massa quilograma kg libra massa lb (lbm)
comprimento metro m pé ft
tempo segundo s segundo s
força newton N libra força lbf
massa específica:
volume específico:
número de quilomoles:
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝜌 = lim
∀→∀′
𝑚
∀
𝑚 = න
∀
𝜌𝑑∀
𝑣 = ൗ1 𝜌
𝑛 = ൗ𝑚 𝑀
ҧ𝑣 = 𝑀. 𝑣
Pressão: Considere uma pequena área A atravessando um ponto em um
fluido em repouso. O fluido exerce uma força de compressão em um lado
dessa área que é normal (Fnormal) à essa própria área. Uma força oposta e
de igual magnitude também é exercida no lado oposto desta mesma área
pelo fluido.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝑝 = lim
𝐴→𝐴′
𝐹𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝐴
A pressão ‘p’ num ponto de um fluido em equilíbrio termodinâmico
interno é a mesma em todas as direções e é chamada de pressão
termodinâmica. Nos cálculos termodinâmicos, utiliza-se a pressão
absoluta.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝑝𝑎𝑏𝑠 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 + 𝑝𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎
𝑝 − 𝑝𝑎𝑏𝑠 = 𝜌𝑔𝐿
A pressão ‘p’ num ponto de um fluido em equilíbrio termodinâmico
interno é a mesma em todas as direções e é chamada de pressão
termodinâmica. Nos cálculos termodinâmicos, utiliza-se a pressão
absoluta.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝑝 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑝 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 + 𝑝𝑎𝑡𝑚(𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎)
𝑝 𝑣𝑎𝑐𝑢𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = +𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 − 𝑝 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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Temperatura:
• é expressa como t ou T (para as escalas absolutas, generaliza-se o uso
da letra maiúscula);
• quando um sistema quente entra em contato com um sistema frio,
ocorre uma transferência de energia até que ambos atinjam o equilíbrio
térmico, o qual é estabelecido pela igualdade de temperatura nos dois
sistemas;
• “Quando dois objetos estão em equilíbrio térmico com um terceiro
objeto, todos os três objetos estão em equilíbrio térmico entre si.” (Lei
Zero da Termodinâmica).
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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Temperatura:
• Escala de temperatura Fahrenheit;
• Escala de temperatura absoluta Rankine;
• Escala de temperatura absoluta Kelvin;
• Relação entre escalas Kelvin e Rankine
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝑇 °𝐹 = Τ9 5 . 𝑇 °𝐶 + 32 ou 𝑇 °𝐶 = ൗ
5
9 . 𝑇 °𝐹 − 32
𝑇 °𝑅 = 𝑇 °𝐹 + 459,67
𝑇 𝐾 = 𝑇 °𝐶 + 273,16
𝑇 𝐾 = ൗ5 9 . 𝑇 °𝑅
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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Temperatura:
• Escala de temperatura Fahrenheit;
• Escala de temperatura absoluta Rankine;
• Escala de temperatura absoluta Kelvin;
• Relação entre escalas Kelvin e Rankine
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Propriedades intensivas mensuráveis
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𝑇 °𝐹 = Τ9 5 . 𝑇 °𝐶 + 32 ou 𝑇 °𝐶 = ൗ
5
9 . 𝑇 °𝐹 − 32
𝑇 °𝑅 = 𝑇 °𝐹 + 459,67
𝑇 𝐾 = 𝑇 °𝐶 + 273,16
𝑇 𝐾 = ൗ5 9 . 𝑇 °𝑅
Um sistema fechado consiste em 0,5 kmol de amônia ocupando um volume de
6 m3. Determine:
a) O peso do sistema, em N;
b) O volume específico, em m3/kmol e m3/kg. Considere g = 9,81 m/s2 .
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.20
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O volume específico de 5 kg de vapor de água a 1,5 MPa, 440°C é 0,2160 m3/kg.
Determine:
a) O volume, em m3, ocupado pelo vapor de água;
b) A quantidade de vapor de água presente em moles;
c) O número de moléculas.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.23
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Um reservatório contém gás natural. Numa sala de instrumentação adjacente
contém manômetro de mercúrio em U conectado ao reservatório o qual indica L=1,0 m. Se a
pressão atmosférica é de 101 kPa, a densidade do mercúrio é 13,59 g/cm3 e g=9,81 m/s2,
determine a pressão do gás natural em kPa.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.33
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O reservatório B contém internamente o reservatório A, ambos contendo ar. O
manômetro A, o qual indica a pressão do reservatório A, está localizado dentro do
reservatório B e indica 5 psig (vácuo). O manômetro em U conectado ao reservatório B
contém água com o comprimento da coluna indicando 10 in. Utilizando os dados da figura,
determine a pressão absoluta de ar no reservatórios A e B, ambos em psia. A pressão
atmosférica envolta do reservatório B é de 14,7 psia. A aceleração da gravidade e g=32,3
ft/s2.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema 1.37
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Converta as temperaturas da tabela:
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema de temperatura
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De °C Para °F Para °R De °F Para °C Para K
21 212
-17,78 68
-50 32
300 0
100 -40
-273,15 -459,67
A relação entre a resistência R e a temperatura T para um termistor é determinada
pela expressão:
Onde R0 é o valor de resistência, dado em ohms (Ω), medida à temperatura T0(K) e β é uma
constante associada ao material com unidade igual à K. Para um certo termistor, R0 = 2,2 Ω
em T0 = 310 K. Através de um ensaio de calibração foi encontrado R = 0,31 Ω em T = 422 K.
Determine o valor de β para o termistor e faça um gráfico do valor de resistência em função
da temperatura.
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Problema de temperatura
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𝑅 = 𝑅0. 𝑒𝑥𝑝 𝛽
1
𝑇
−
1
𝑇0