Aula 2 - 1ª lei da termodinâmica

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Primeira lei da termodinâmica
Termodinâmica Aplicada
A primeira lei da termodinâmica é chamada de lei da
conservação de energia.
O balanço de energia pode ser representado por:
Ou ainda:
Varias formas especiais do balanço de energia podem ser
escritas, como o balanço de energia na forma diferencial:
O balanço de energia na forma de taxa temporal é:
Sendo representado por:
 Observações:
Q > 0: Calor transferido para o sistema;
Q < 0: Calor transferido a partir do sistema.
W > 0: Trabalho é realizado a partir do sistema;
W < 0: Trabalho é realizado sobre o sistema.
Trabalho de uma expansão
ou compressão em quase-
equilíbrio:
1ª lei da termodinâmica para volume de controle:
Considere o volume de controle abaixo:
O balanço de massa para o volume de controle é:
O balanço de energia para o volume de controle é:
Onde o termo pivi se refere ao trabalho de fluxo, ou seja, o
trabalho necessário para introduzir a massa no volume de
controle e o trabalho realizado pela massa ao sair do volume.
Utilizando a definição de entalpia, h = u + Pv:
 Observações:
O fluxo mássico unidimensional pode ser avaliado como:
Ou ainda em termos de densidade:
Onde, m é a vazão mássica, A é a área, V é a velocidade, v é o 
volume específico e ρ é a densidade.
Processo em regime permanente:
No regime permanente, as propriedades dependentes do tempo 
não variam, ou seja, não há variação de massa e energia com o 
tempo, e assim:
1ª lei da termodinâmica para mudança de estado de um
sistema:
As vezes estamos mais interessados num processo do que em
um ciclo, e para isso, leva-se em consideração a primeira lei
para um sistema que passa por uma mudança de estado. Isso
pode ser feito através de uma propriedade, a energia (E).
Consideremos um sistema que percorre um ciclo, mudando de
estado1 para o estado 2 através do processo A e voltando do
estado 2 para o estado 1 pelo processo B.
Pela primeira lei da termodinâmica temos:
Analogamente em um sistema passando pelos processos B e C:
Subtraindo as equações anteriores:
Reorganizando:
Assim podemos concluir que a quantidade de energia para
todos os processos entre o estado 1 e o estado 2 é a mesma, ou
seja, depende apenas dos estados inicial e final e não depende
do caminho percorrido.
1ª Lei da termodinâmica para ciclos
O balanço de energia para um ciclo tem a seguinte forma:
Como o sistema retorna ao estado inicial, não há uma
variação líquida de energia, e assim:
Iremos ver a seguir um esquema simplificado de duas
classes gerais de ciclos considerados: ciclos de potência e os
ciclos de refrigeração e bomba de calor. Em ambos, um
sistema se comunica com dois corpos, um quente e um frio.
Ciclos de potência Ciclos de refrigeração e 
bomba de calor
Os ciclos de potência fornecem uma transferência líquida sob a
forma de trabalho para sua vizinhança.
O Qentra deve ser maior que o Qsai.
O desempenho de um sistema que percorre um ciclo de
potência pode ser definido como a quantidade de energia que
entra na forma de calor (Qentra) e é convertida em trabalho
líquido (Wciclo). Esse desempenho é chamado de eficiência e
pode ser expresso pela seguinte razão:
A eficiência térmica jamais pode ser maior que 100%.
Os ciclos de refrigeração e bomba de calor fornecem energia na
forma de calor para do corpo frio para o sistema que percorre o
ciclo.
O Qsai deve ser maior que o Qentra.
O objetivo de um ciclo de refrigeração é reduzir a temperatura
de um espaço refrigerado ou manter a temperatura de um local,
abaixo da ambiente. O objetivo de uma bomba de calor é
manter a temperatura de um local, acima da ambiente ou
fornecer aquecimento para determinados processos.
Como esses ciclos têm objetivos diferentes, seus parâmetros de
desempenho também são diferentes.
O desempenho de um ciclo de refrigeração pode ser descrito
como a razão entre a quantidade de energia recebida pelo
sistema (Qentra) percorrendo o ciclo do corpo frio e o trabalho
líquido sobre o sistema para produzir esse efeito (Wciclo). Assim,
o coeficiente de desempenho (β) é:
Normalmente em refrigeradores, o Qsai é descarregado na
atmosfera e o Wciclo é fornecido na forma de eletricidade.
O desempenho de uma bomba de calor pode ser descrito como a
razão entre a quantidade de energia descarregada pelo sistema
(Qentra) percorrendo o ciclo para o corpo quente e o trabalho
líquido sobre o sistema para produzir esse efeito (Wciclo). Assim,
o coeficiente de desempenho (γ) é:
O valor de γ nunca é inferior a unidade. Para bombas de calor
residenciais, o Qentra geralmente vem do ar ambiente, solo ou
corpo de água próximo e o Wciclo é fornecido pela eletricidade.
W = 30
W = 20,79
W = 17,6
Q = -0,8
P = 15,4
W = 4,56
Q = 15,4
Q = 15,4
W = 4,35
Δz = 1,6 ΔPE = 0,2
Q = -1,2
W2 = 58,8
Tb = 353