Sistemas Térmicos_AREA1

Prévia do material em texto

Máquinas Térmicas e Processos Contínuos
5MTPC
Professor: Marcelo Ribeiro
Curso de Engenharia/Tecnologia Mecânica
marcelo.ribeiro@area1.com.br
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
METODOLOGIA 
Aulas teóricas expositivas; 
Serão utilizados métodos audiovisuais (uso de data-show) 
Resolução de problemas dos assuntos expostos; 
Avaliação - Através de 3 verificações escritas, além do exame final. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Planejamento e Avaliação:
P1 – dia 03/10/2019 – Prova 30% da avaliação total 
P2 – dia –Trabalho – Entrega dia 27/11/2019 até as 23:59hs, por email. 30%
P3- Dia 11/12/2019Prova 40% da avaliação total 
Escopo: 
Desenvolver um sistema de trocador de calor, dimensionar, simular diversas situações de troca de calor estudas em aula e calcular.
O trabalho será avaliado conforme o seu grau de dificuldade;
O desenho deve ser realizado no CAD ou SOLIDWORK;
O trabalho deverá ser entregue na data determinada, por email, em PDF.
Trabalhos iguais serão anulados, todos dentro dessa igualdade.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Introdução
Princípios da Termodinâmica
Representação analítica da Termodinâmica 
Definição
Leis da Termodinâmica 
Transformações termodinâmicas particulares
Conclusão
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A Termodinâmica (do Grego significa calor e potência). 
É o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento".
Por isso a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. 
Historicamente, a Termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas à vapor. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Principios da Termodinâmica
De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. 
O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.
Consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizado para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.
A expressão Q = U + W
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Representação analítica da Termodinâmica
A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. 
Ela também pode ser representada pela fórmula U = 3/2 .n.R.(Tf - Ti), onde n é o número de mols do gás, R é a constante dos gases, Tf a temperatura final e Ti a temperatura inicial do gás.
Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções:
Q > 0: calor recebido pelo sistema. 
Q < 0: calor cedido pelo sistema. 
W > 0: volume do sistema aumenta. 
W < 0: volume do sistema diminui. 
U > 0: temperatura do sistema aumenta. 
U < 0: temperatura do sistema diminui. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Definição:
A termodinâmica, inicialmente, tinha por objectivo o estudo das transformações do calor em trabalho e o inverso. Actualmente, a termodinâmica envolve qualquer transformação de energia. 
As transformações de energia ligadas às transformações materiais como mudança de estado e reações químicas levam para a termodinâmica química. 
Assim a termodinâmica nas suas aplicações pertence à física bem como à química
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Leis da Termodinâmica
A termodinâmica é baseada em leis estabelecidas experimentalmente:
A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura. 
A Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar: "A energia do Universo é constante". 
Sistemas Mecânicos Dinâmicos 5SMED
A termodinâmica é baseada em leis estabelecidas experimentalmente:
A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direcção mas não podem ocorrer na direcção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo". 
A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Transformações termodinâmicas particulares
Transformação isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna é nula. 
Transformação isométrica: como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho. 
Transformação isobárica: Numa transformação onde a pressão permanece constante, a temperatura e o volume são inversamente proporcionais, ou seja, quando a temperatura aumenta o volume diminui.
Transformação adiabática: Nessa transformação, o sistema não troca calor com o meio externo; o trabalho realizado é graças à variação de energia interna. 
Transformação Cíclica: Denomina-se transformação cíclica ou cilo de um sistema o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial são iguais. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
 Conclusão
A termodinâmica permite determinar a direcção na qual vários processos físicos e químicos irão ocorrer. Também permite determinar as relações entre as diversas propriedades de uma substância. Contudo ela não trabalha com modelos da microestrutura da substância, e não é capaz de fornecer detalhes dela, mas uma vez que alguns dados sejam conhecidos, através do método da termodinâmica clássica, outras propriedades podem ser determinadas.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Premissa da rigidez
A premissa ou hipótese de absoluta rigidez de um corpo define que a distância entre duas quaisquer de suas partículas seja constante durante o movimento. Este conceito ideal de rigidez significa uma grande simplificação no projeto dos mecanismos, porém, não é sempre aceitável. 
Em alguns casos de altas velocidades, as características deformáveis dos membros do mecanismos terão de ser examinados e refletidos no projeto. A Cineto-Elastodinâmica estuda estes efeitos de deformação elástica devido à ação das forças externas ou internas, ou seja, de natureza estática ou dinâmica. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Transferência de Calor
Introdução
Formas de Transferência de Calor
Condução
Radiação
Convecção
Resistência Térmica
Trocadores de Calor
Isolamento Térmico
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Transferência de Calor - Introdução:
 Qual a ligação e a diferença entre Transferência de calor e Termodinâmica?
A Termodinâmica relaciona o calor com outras formas de energia e trabalha com sistemas em equilíbrio. 
A Transferência de calor preocupa-se com o mecanismo, a duração e as condições necessárias para que o citado sistema atinja o equilíbrio.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Transferência de Calor – Introdução
É evidente que os processos de Transferência de Calor respeitam a 1ª e a 2ª Lei da Termodinâmica.
Mas, nem por isto, pode-se esperar que os conceitos básicos da Transferência de calor possam simplesmente originar-se das leis fundamentais da Termodinâmica.
Máquinas Térmicase Processos Contínuos – 5MTPC
Transferência de Calor – Introdução
É evidente que o calor se transmite sempre no sentido da maior para a menor temperatura.
A força motriz para a transferência de calor é a diferença de temperatura. 
Da mesma forma, a corrente elétrica transita do maior para o menor potencial.
Força motriz para a passagem de corrente é uma diferença de potencial.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Transferência de Calor – Introdução
Percebe-se, de início, sensível analogia entre os fenômenos térmico e elétrico.
Isso é absolutamente correto, pois que, de fato, o fenômeno é de transporte e pode ser, inclusive, estudado de forma global. 
Assim, calor, eletricidade, massa e quantidade de movimento resultam em uma identidade entre as diferentes leis que comandam diferentes setores do conhecimento humano.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Noção de Temperatura
Temperatura: é uma grandeza física que mensura a energia térmica média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico. Esta definição é análoga e afirma-se que a temperatura mensurada e energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema uma vez considerado todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em certo instante. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A temperatura não é a medida de calor, mas a diferença de temperatura é a responsável pela transferência da energia térmica na forma de calor entre dois ou mais sistemas. Ou seja, quando dois sistemas estão na mesma temperatura pode dizer que eles estão em equilíbrio térmico e neste caso não há calor. Por outro lado, quando existir diferença entre as temperaturas mensuráveis dos sistemas, haverá a transferência de calor entre os corpos até que o sistema de menor potencial térmico, até a sua temperatura se igualar a temperatura do corpo de maior potencial, ocorrendo assim o equilíbrio térmico. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A troca de calor pode ocorrer basicamente de três formas, sendo elas: condução, convecção e radiação térmica. As influencias precisas da temperatura sobre os sistemas são estudadas pela termodinâmica e esta é uma das principais grandezas intensivas encontradas na área. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Conceito de energia térmica e calor 
Energia térmica é uma forma de energia que esta diretamente associada à temperatura absoluta de um sistema, e corresponde a soma das energias cinéticas (Eci) que suas partículas constituintes possuem em virtude de seus movimentos de translação, vibração ou rotação. A transferência de energia térmica entre dois corpos de um sistema se dá o nome de calor. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Calor é o fluxo de energia térmica que ocorre entre dois corpos (ou sistemas) de potenciais térmicos diferentes, ou seja, quando os corpos estão em temperaturas diferentes. A energia térmica é medida em unidade de energia: de acordo com o SI a unidade padrão para a medida de calor transferido é o Joule (J), normalmente usamos também a caloria (cal). A definição de caloria é a quantidade de calor necessária para elevar 1 ºC em 1 grama de água. Matematicamente falando definimos energia térmica como: 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Onde: 
Kb – corresponde a constante de Boltzmann4 [Kb= 1,3806503 x 10-23 J/K]; 
N – corresponde ao número de partículas no sistema; 
T – corresponde a temperatura absoluta do sistema em kelvin [K]; e r – corresponde ao número de graus de liberdade por partícula do sistema, podendo assumir valores entre 9 e 3 (r=9 três graus de translação, três de rotação e três de vibração, isto para sistemas compostos por partículas mais complexas) e (r=3 nos sistemas tridimensionais mais simples compostos por partículas pontuais com três graus de liberdade de translação apenas) 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Estados de agregação da matéria 
A matéria é formada por moléculas que são resultantes da associação de átomos de uma mesma substância. Essas moléculas se encontram em constante movimentação, esta movimentação pode ser aumentada ou diminuída de acordo com o grau de liberdade que esta partícula possua. Podemos identificar três estados básicos da matéria, são eles: estado sólido, estado líquido e estado gasoso. O que determina este estado é o grau de agitação das moléculas. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Estado sólido: é o estado de agregação da matéria em que as moléculas estão próximas o suficiente para formal uma estrutura resistente a deformação. A matéria no estado sólido e caracterizada por ter volume e forma definidos; 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Estado líquido: é um estado em que a matéria encontra-se com maior energia que o estado sólido. A distância entre as moléculas é suficiente para que a matéria possa se ordenar espacialmente de maneira transitória, assumindo facilmente a forma do recipiente onde esta colocada; 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Estado gasoso: a energia da matéria no estado gasoso é suficiente para que grande parte das moléculas se afaste uma das outras, reduzindo as forças repulsivas e atrativas entre elas. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
O ponto de transição de fases recebe um nome para cada associação de estados, sendo eles: 
 Ponto de fusão: é a passagem do estado sólido para líquido; 
 Ponto de solidificação: é a passagem do estado líquido para sólido; 
 Ponto de sublimação: é a passagem do estado sólido para gasoso; 
 Ponto de evaporação ou ebulição: é a transição do estado líquido para o gasoso; 
 Ponto de condensação: é a passagem do estado gasoso para líquido; 
Ponto de deposição: é a passagem do estado gasoso para sólido; 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Ponto de transição:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
DILATAÇÕES TÉRMICA DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS 
É comum em toda substância a ocorrência de dilatação quando submetida a temperaturas diferentes da temperatura ambiente (entre 21 e 23ºC), isso ocorre devido ao fato do aumento do grau de agitação das moléculas no interior da substância. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Conceitos de dilatação 
Fisicamente falando, dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pelo aumento de sua temperatura, o que causa o aumento do grau de agitação de suas moléculas e consequentemente aumento da distância média entre as mesmas. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediaria nos líquidos e de forma menos explicita nos sólidos. 
Podemos calcular a dilatação de determinada substância ou corpo através da seguinte fórmula: 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Dilatação linear dos sólidos 
Na dilatação linear, o comprimento de uma barra aumenta linearmente, cada material possui seu coeficiente de dilatação (α) próprio, os valores adotados para os materiais mais usados em processos de fabricação estão dispostos na tabela 1, a seguir. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Tabela 1 - Coeficiente de dilatação linear 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Dilatação volumétrica dos sólidos 
Os sólidos possuem três dimensões, quando submetidos a uma temperatura maior que a temperatura ambiente, entram em processo de dilatação térmica volumétrica. 
A dilatação do volume do sólido também interfere em sua dilatação linear, portanto podemos adotar inicialmente a fórmula de dilatação linear. A partir daí faz uso do seguinte desenvolvimento. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
3α é o coeficiente de dilatação volumétrica, podemos substituí-lo por , portanto teremos a seguinte fórmula para calcularmos a variação da dilatação volumétrica dos sólidos. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos– 5MTPC
Dilatação térmica dos líquidos 
Os líquidos não apresentam forma própria, no entanto, eles se comportam termicamente como os sólidos, assim sendo, eles obedecem a uma lei idêntica a lei da dilatação linear. Contudo, para a dilatação dos líquidos considera-se apenas a dilatação térmica volumétrica. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
É possível mostrar que a variação do volume é proporcional à variação da temperatura sofrida pelo cubo, matematicamente temos: 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
O sólido descrito na figura acima está completamente cheio de H20 a uma temperatura inicial (Ti) e possui volume inicial (Vi) igual a capacidade volumétrica do recipiente (C). Após elevada a temperatura desse sistema, uma parte do líquido que está contido no recipiente transborda. 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
O volume derramado corresponde à dilatação aparente 
 do líquido, e pode ser escrita da seguinte forma: 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Prefixos para Unidades do SI
Multiplos e frações decimais das unidades SI são designados por prefixos: exemplo 1cm=10-²m, e 1kg=10³g.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Medidas de quantidades ou tamanhos
Três medidas de massa são comuns:
Massa – m Números de moles – n Volume total - Vt 
 Massa molar - M 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Volume Especifico
V – Volume Especifico Vt – Volume Total m – massa
Densidade Especifica - 
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Força – A unidade SI Força é o newton, símbolo N
 F= m.a F=1/g. ( m.a), com a lei de Newton
 F = m.g
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Força
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Temperatura
Temperatura Kelvin - T
Temperatura Celsius - t
Temperatura Rankine – T(R)
Temperatura Fahrenheit – t°F
 t°C = TK – 273,15 T(R) = 1,8 TK t°F = 1,8t°C+32
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Temperatura
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Pressão
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Exemplo
A 27°C, a leitura em um manômetro com mercúrio é de 60,6cm. A aceleração da gravidade local é de 9,784ms-², a qual pressão essa coluna de mercúrio corresponde?
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A 27°C, a leitura em um manômetro com mercúrio é de 60,6cm. A aceleração da gravidade local é de 9,784ms-², a qual pressão essa coluna de mercúrio corresponde?
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Trabalho
Trabalho W é realizado sempre que uma força atua ao longo de uma distancia, portanto:
 dW = Fdl
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Energia Cinética
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Energia Potencial
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Energia do sistema
 ∆U = Q+W dU=dQ+dW
Q – Calor do sistema
W- Trabalho
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Exercício:
Àgua escoa em queda d’agua com 100m de altura. Considere 1kg de água como o sistema, e considere que o sistema não troque energia com sua vizinhança.
Qual a energia potencial da água no topo da queda d’agua em relação à sua base?
Qual é a energia cinética da água no instatnte anterior ao seu choque coma a base da queda d’agua?
Após a massa de 1 kg de agua entrar no curso do riojsante da queda, que modificação ocorreu no seu estado?
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Solução:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Estado Termodinâmico e Funções de Estado
 
 W = F x A
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Quando um sistema é levado do estado “a” para o estado “b” conforme abaixo, ao longo da trajetória “acb”, 100J de calor fluem para dentro do sistema realiza 40J de trabalho.
Qual a quantidade de calor que flui para dentro do sistema ao longo da trajetória “aeb”, se o trabalho realizado pelo sistema for de 20J?
O sistema retorna de “b” para “a” pela trajetória “bda”. Se o trabalho realizado sobre o sistema for de 30J, o sistema absoverá ou liberará calor? Qual a quantidade?
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
A regra das fases
 F=2-∏+N
Quantos graus de liberdade tem cada um dos seguintes sistemas?
Água líquida em equilíbrio com seu vapor.
Água líquida em equilíbrio com uma mistura de vapor d’agua e nitrogênio.
Uma solução líquida de álcool em água em equilíbrio com o seu vapor.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Processos Reversíveis
Não tem atrito;
Nunca esta afastado mais do que infinitesimalmente do equilíbrio;
Atravessa uma sucessão de estados de equilíbrio;
É causada por forças não-equilibradas e a diferença é infinitesimal em magnitude;
Pode ser revertido em qualquer ponto por uma variação infinitesimal nas condições externas;
Quando revertido percorre no sentido inverso a mesma trajetória, restaurando o estado inicial do sistema.
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Processos Reversíveis
dW = -P. d Vtotal
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Exercício:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Solução:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Cont. solução:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Exemplo:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Solução:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Processos a Volume Constante e a Pressão Constante:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Entalpia:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Exemplo:
Máquinas Térmicas e Processos Contínuos – 5MTPC
Solução: