Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
4. TRABALHO E CALOR- a DISCIPLINA: TERMODINÂMICA PROF. MAURICIO ALVAREZ MUÑOZ TRABALHO E CALOR Trabalho e calor são a essência da termodinâmica. Assim é fundamental o entendimento das duas definições tendo em vista que a análise correta de muitos problemas térmicos depende da distinção entre elas. Trabalho de um sistema Definição. Um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre o meio (externo ao sistema) PUDER SER o levantamento de um peso. Caso 1. Trabalho atravessa a fronteira do sistema neste caso? Trabalho atravessa a fronteira do sistema nesse caso? Caso 1. Trabalho Mecânico. Se F constante , mov. retilíneo O trabalho de um sistema é considerado positivo quando é recebido pelo sistema e o trabalho realizado é negativo quando sai do sistema. O símbolo W designa o trabalho termodinâmico. Unidades de Trabalho 1 J = 1N.m Potência e unidades de potência. TRABALHO REALIZADO NA FRONTEIRA MÓVEL DE UM SISTEMA SIMPLES COMPRESSÍVEL (Processo quase-estático) 1 2 dL A integração da equação do trabalho só é possível conhecendo-se a relação entre a pressão e o volume durante o processo. TRABALHO REALIZADO NA FRONTEIRA MÓVEL DE UM SISTEMA SIMPLES COMPRESSÍVEL (Processo quase-estático) As propriedades termodinâmicas são funções de ponto, ou em linguagem matemática, são diferenciais exatas, assim: Como o trabalho depende do caminho (processo) escolhido, é considerado uma diferencial inexata, assim: Trabalho Realizado devido ao Movimento de Fronteira de um Sistema Compressível Simples num Processo Quase-Estático. Vamos tirar um dos pequenos pesos do êmbolo provocando um movimento para cima deste, de uma distância dx. Podemos considerar este pequeno deslocamento de um processo quase-estático e calcular o trabalho, dW, realizado pelo sistema durante este processo. A força total sobre o êmbolo é P. A, onde P é a pressão do gás e A é a área do êmbolo. Portanto o trabalho W é: a) b) na compressão W > 0 na expansão W < 0 < 0 > 0 Correção da fórmula: Esse trabalho é o realizado devido ao movimento de fronteira de um sistema compressível simples num processo quase-estático. O trabalho realizado devido ao movimento de fronteira, durante um dado processo quase-estático, pode ser determinado pela integração da Eq. 3.6. Entretanto essa integração somente pode ser efetuada se conhecermos a relação entre P e V durante esse processo. Essa relação pode ser expressa na forma de uma equação ou pode ser mostrada na forma gráfica . Eq. 3.6. Visualização do trabalho num processo quase-estático. No inicio do processo o êmbolo está na posição 1 e a pressão é relativamente baixa. Esse estado está representado no diagrama P x V como mostra a Figura5. No fim do processo, o êmbolo está na posição 2 e o estado correspondente do sistema é mostrado pelo ponto 2 no diagrama P x V. Se a compressão é um processo quase-estático e, durante o processo, o sistema passa através dos estados indicados pela linha que liga os pontos 1 e 2 do diagrama P x V. O trabalho realizado sobre o gás durante este processo de compressão pode ser determinado pela integração da Eq. 3.6, resultando: W12 > 0 W21 < 0 Uma nova consideração do diagrama P x V, conduz a uma outra conclusão importante. É possível ir do estado 1 ao estado 2 por caminhos quase-estáticos muito diferentes, tais como A, B ou C. Como a área sob a curva representa o trabalho para cada processo é evidente que o trabalho envolvido em cada caso é uma função não somente dos estados iniciais e finais do processo, mas também, do caminho que se percorre ao ir de um estado a outro. Por esta razão, o trabalho é chamado de função de linha, ou em linguagem matemática, W é uma diferencial inexata, diferente das diferencias exatas que dependem apenas do estado inicial e final ,como veremos é o caso da energia cuja diferencia é indicada como dE. Trabalho num processo quase-estático. Trabalho processos quase-estáticos de transformação. 1-A relação entre P e V pode ser dada em termos de dados experimentais ou na forma gráfica. Neste caso podemos determinar a integral da Eq. 3.7 por integração gráfica ou numérica. 2-A relação entre P e V é tal que seja possível ajustar uma relação analítica entre as variáveis e, assim, é possível fazer diretamente a integração da expressão. Processo quase-estático a pressão constante (isobárico). Trabalho processos quase-estáticos de transformação. Processo a temperatura constante (isotérmico) Processo politrópico Processo politrópico Note-se que este resultado é válido para qualquer valor do expoente n, exceto n = 1. Para n = 1, tem-se; Exemplo 3.1. Considere como sistema o gás contido no cilindro mostrado na figura 8, provido de um êmbolo sobre o qual são colocados vários pesos pequenos. A pressão inicial é de 200 kPa e o volume inicial do gás é de 0,04 m3. a) Calcular o trabalho realizado pelo sistema durante esse processo se for colocado um bico de Bunsen embaixo do cilindro e deixa-se que o volume do gás aumente para 0,1 m3 , enquanto a pressão permanece constante. P cte b) Considerando o mesmo sistema e as mesmas condições iniciais e finais, porém, ao mesmo tempo em que o bico de Bunsen está sob o cilindro e o êmbolo se levanta, removamos os pesos deste, de tal maneira que durante o processo a temperatura se mantém constante. Se como gás ideal: PV = mRgT c) Consideremos o mesmo sistema porém, durante a troca de calor removamos os pesos de tal maneira que a expressão, PV1,3 = constante, descreva a relação entre a pressão e o volume durante o processo. Novamente o volume final é 0,1 m3. Calcular o trabalho envolvido. P2= = 60,77 kPa d) Consideremos o sistema e o estado inicial dado nos três primeiros exemplos, porém mantenhamos o êmbolo preso por meio de um pino, de modo que o volume permaneça constante. Além disso, façamos com que o calor seja transferido do sistema para o meio até que a pressão caia a 100 kPa. Calcular o trabalho. Como dW = P.dV, para um processo quase-estático, o trabalho é igual a zero porque, neste caso, não há variação do volume, isto é, dV=0. Exemplo 3.2. Um cilindro com êmbolo móvel, como mostrado na figura, contém 3 kg d’água no estado de vapor úmido com título igual a 15 % e pressão de 2,0 bar (estado 1 ). Esse sistema é aquecido à pressão constante até se obter o título igual a 85 % (estado 2 ). Pede-se: a) Representar o processo em um diagrama P-V. b) Calcular o trabalho realizado pelo vapor durante o processo. Tsat= 120,2 oC b) O trabalho devido ao movimento de fronteira é: Da tabela de propriedades de saturação, para o estado 1, P = 200kPa obtemos vl = 0,001061 m3 /kg, vv= 0,8857 m3 /kg. v1 = vl + y ( vv-vl) = 0,001061 + 0,15 ( 0,8857 -0,001061) = 0,13376 m3 /kg. quando y =0,85 v1 = vl + y ( vv-vl) = 0,001061 + 0,85 ( 0,8857 -0,001061) = 0,7530 m3 /kg Substituindo na expressão do trabalho, Eq.3.07 tem-se: W12 = - 2,0.105 x 3 x (0,7530 -0,133756 ) J W12 = - 3,715.105 [ J ] ou W12 =- 371,5 kJ Exemplo 3.3 Um cilindro com êmbolo móvel, como mostrado na figura, contém 5 kg d’água no estado de vapor úmido com título igual a 20 % e pressão de 5,0 bar (estado 1). Esse sistema é aquecido à pressão constante até se obter a temperatura de 200 OC (estado 2). Pede-se: a) Representar o processo em um diagrama P-v; b) Determinar o trabalho realizado pela substância de trabalho contra o êmbolo, em kJ a) b) O trabalho devido ao movimento de fronteira é: Da tabela de propriedades de saturação, para o estado 1, P = 500 kPa obtem-se: vl1 = 0,001093 m3 /kg, vv1= 0,3749 m3 /kg. v1 = vl1 + x ( vv1-vl1) = 0,001093 + 0,2 ( 0,3749 -0,001093) = 0,0759 m3 /kg. Da tabela de vapor superaquecido para P2 = 500 kPa e T2 = 200 oC, obtem-se: v2 = 0,42492 m3 / kg. Assim o trabalho entre o estado 1 e 2 resulta em: = -872,7kJ.Exemplo 3.4. Considere o sistema mostrado na Figura . O volume inicial do ar no interior do conjunto êmbolo-cilindro é de 0,03 m3, neste estado a pressão interna é de 1,1 kgf/cm2, suficiente para contrabalançar a pressão atmosférica externa e o peso do êmbolo. A mola toca o êmbolo mas não exerce qualquer força sobre o mesmo nesse estado. O sistema (ar) é então aquecido até que o volume do sistema seja o dobro do volume inicial. A pressão final do sistema é de 3,5 kgf/cm2 e, durante o processo a força de mola é proporcional ao deslocamento do êmbolo a partir da posição inicial [ F = k(x-xo)]. Pede-se: a) Considerando o ar como sistema, calcular o trabalho realizado pelo sistema b) Mostrar o processo em um diagrama, P - v a) sendo o trabalho W12 = , e, sendo P = ( Patm + Pêmb + Pmola ), temos: Obs. 1 kgf/cm2 = 9,806 N *104 cm2/m2 = 98,06 kPa= 0,09806 MPa Trabalho contra uma mola Outras Formas de Realização de Trabalho. Trabalho de um eixo n=> no de revoluções Potencia de um eixo Exercício 3.5. Qual a potencia transmitida por um eixo de um automóvel quando o torque aplicado é 200 N .m e a sua rotação é 4000 rpm Sinal? Motor < 0 Turbina < 0 Bomba hidráulica > 0 Exemplo 1 : Considere o sistema contido no conjunto cilindro-êmbolo mostrado na figura abaixo; vários pesos estão sobre o êmbolo. A pressão inicial é igual a 200kPa e o volume inicial do gás é 0,04m3. a) Forneça calor para o sistema e deixe que o volume do gás aumente para 0,1m3, enquanto a pressão permanece constante. Calcule o trabalho realizado pelo sistema durante esse processo. Pressão Constante Integrando b) Considerando o mesmo sistema e condições iniciais, ao mesmo tempo em que se fornece calor e o êmbolo está se elevando, remova os pesos do êmbolo, de maneira que durante o processo a temperatura do gás se mantenha constante (admita que o gás se comporta como gás ideal). Calcule o trabalho do processo. Exemplo 1: Gás Ideal c) Considerando o mesmo sistema e condições iniciais, durante o aquecimento os pesos são removidos de maneira que a relação entre pressão e volume possa ser representada por PV1,3 = constante. O volume final é igual a 0,1m3. Calcule o trabalho do processo. Exemplo 1: Processo Politrópico d) Considerando o mesmo sistema e condições iniciais, porém mantendo o êmbolo preso por meio de um pino, de maneira que o volume permaneça constante. Além disso, faça com que o calor seja transferido do sistema até que a pressão caia a 100kPa. Calcule o trabalho nesse processo. Exemplo 1: Processo a volume constante dV = 0 V P e f 1 2a 2b 2c 2d Exemplo 2: Considere o sistema contido no conjunto cilindro-êmbolo-mola mostrado na figura abaixo. Nesse sistema o pistão tem massa mp e atua sobre ele a pressão atmosférica P0, uma mola linear (com constante de mola km) e uma força F1. O gás contido no conjunto está à pressão P. Deduzir a equação do trabalho para esse sistema. F1 P0 km g mp Δx P Exemplo 2: V P F1 P0 km g mp Δx P 28 Exemplo 3: O conjunto cilindro-pistão do exemplo 2 contém 0,5kg de amônia a -20oC e título igual a 25%. A amônia é aquecida até +20oC; nesse estado o vlume ocupado pela amônia é 1,41 vezes maior. Determine a pressão final e o trabalho realizado pela ou sobre a amônia. NH3 Estado 1: T1 = -20oC x1 = 0,25 P1 = Psat = 190,2kPa vl1 = 0,001504m3/kg vlv1 = 0,62184m3/kg v1 = 0,001504 + 0,25 . 0,62184 v1 = 0,15696m3/kg Estado 2: T2 = +20oC v2 = 0,2213m3/kg v2 = 1,41.v1 Exemplo 3: Estado 2: T2 = +20oC v2 = 0,2213m3/kg Volume do estado maior que o volume do vapor saturado Estado 2 corresponde a Vapor Superaquecido. OUTRAS FORMAS DE TRABALHO EM SISTEMAS Trabalho Elétrico Trabalho ao Esticar um Fio Trabalho em uma Película CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE TRABALHO Calor Calor é definido como sendo a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema a uma dada temperatura, a um outro sistema (ou meio ) numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema de maior temperatura ao sistema de temperatura menor e a transferência de calor ocorre unicamente devido à diferença de temperatura entre os dois sistemas. Um outro aspecto dessa definição de calor é que um corpo ou sistema nunca contém calor. Calor só pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor é um fenômeno transitório. Assim como o trabalho as unidade de calor são o JOULE (J), no sistema internacional de unidades, mas utiliza-se freqüentemente a CALORIA (cal). Há muita semelhança entre calor e trabalho, que passaremos a resumir: O calor e o trabalho são, ambos, fenômenos "transitórios". Os sistemas nunca possuem calor ou trabalho, porém qualquer um deles ou, ambos, atravessam a fronteira do sistema, quando o sistema sofre uma mudança de estado. b) Tanto o calor como o trabalho são fenômenos de fronteira. Ambos são observados somente nas fronteiras do sistema, e ambos representam energia atravessando a fronteira do sistema. c) Tanto o calor como o trabalho são funções de linha e têm diferenciais inexatas. Comparação entre Calor e Trabalho Convenção de sinais Calor e trabalho O que atravessa a fronteira? a) b) O CALOR É POSITIVO QUANDO O SISTEMA RECEBE CALOR. O CALOR É NEGATIVO QUANDO O SISTEMA PERDE CALOR. CALOR Calor FORNECIDO ao sistema possui sinal POSITIVO; Calor RETIRADO do sistema possui sinal NEGATIVO. Caso não haja transferência de calor do ou para o sistema dizemos que o sistema é ADIABÁTICO. Analogamente ao trabalho, o calor depende do processo adotado para se sair do estado inicial para o estado final, ou seja, o calor é uma diferencial inexata e, conseqüentemente, não é uma propriedade termodinâmica. CALOR O calor transferido por unidade de tempo é representado por: Em alguns casos práticos, costuma-se representar o calor por unidade de massa. Assim: MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Condução: É a transferência de calor que ocorre entre moléculas vizinhas. As moléculas com maior energia transmitem para as moléculas vizinhas com menor energia e assim sucessivamente. A condução é característica de sistemas sólidos. MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Convecção: É a transferência de calor que ocorre quando o meio está escoando. Na convecção o movimento do meio desloca matéria, que apresenta certo nível energético, sobre uma superfície que apresenta uma temperatura diferente da do meio que escoa. Radiação: Nessa modalidade, o calor é transmitido através de ondas eletromagnéticas. O calor por radiação pode ser transferido pelo vácuo, não necessitando de um meio material para que isso ocorra. Entretanto necessita de uma fonte emissora e receptora. COMPARAÇÃO ENTRE CALOR E TRABALHO Calor e trabalho são energias transitórias e fenômenos de fronteira. SISTEMA TRABALHO CALOR CALOR TRABALHO (+) (+) (-) (-) EXERCÍCIOS RECOMENDADOS PARA ESTUDO 4.18 a 4.130 (6ª Edição Van Wylen) Exercício 1: Um dispositivo cilindro-pistão contém 0,2kg de vapor d’água saturado a 400kPa. O sistema é resfriado a pressão constante até que o volume ocupado pela água se reduz à metade do original. Determine o trabalho realizado no processo. I Vap. Sat. 400kPa Processo Isobárico II 400kPa V2 = 0,5.V1 Exercício 1: Estado I v2 = 0,23123m3/kg v1 = 0,46246m3/kg Exercício 2: Um conjunto cilindro – pistão contém inicialmente 0,2m3 de dióxido de carbono a 300kPa e 100oC. Pesos são, então, adicionados sobre o pistão de modo que o gás é comprimido segundo a relação PV1,2 = constante até a temperatura final de 200oC. Determine o trabalho realizado nesse processo. Processo Politrópico: PV1,2 = CTE V1 = 0,2m3 P1 = 300kPa T1 = 100oC I T2 = 200oC II Exercício 2: Trabalhopara processo politrópico, como demonstrado: Considerando o CO2 gás ideal: Exercício 2: Exercício 3: A grade preta atrás de um refrigerador tem a temperatura da superfície igual a 35ºC e uma superfície total de 1m2. A transferência de calor para o ambiente a 20ºC se dá com um coeficiente de transferência de calor médio convectivo de 15W/m2K. Quanto de energia pode ser removida durante 15 minutos de operação? dx F dx F dW . cos . . = = = q dx F x dx F 2 1 . ò = W Fl W l W l l l l = = Þ = = ò ò ò 2 1 2 1 dl F dl F .d F 2 1 . ò ò = = Þ = s dW W s dW d F d F . . t W W d d = & s J Watt = wFdL ¶= wPAdL ¶= wPdV ¶= 2 12 1 wPdV = ò 2 21 1 dVVV =- ò 2 12 1 ww ¶= ò ( ) ò = Þ = - = - = 2 1 180 V V pdV W dV p dx A p x d n A p dW . cos . . . . . . r r ( ) ò - = Þ - = - = - = 2 1 0 V V pdV W dV p dx A p x d n A p dW . cos . . . . . . r r ò - = 2 1 V V pdV dW ò - = 2 1 12 V V pdV W 2 1 p p cte p = = = ( ) 1 2 1 2 2 1 V V p pdV pdV W V V V V - - = - = - = ò ò 2 2 1 1 V p V p cte pV = = = ( ) 1 2 1 1 1 2 2 1 V V V P dV V cte pdV W V V V V / ln - = - = - = ò ò n n n V p V p cte pV 2 2 1 1 = = = n V cte p = 2 1 1 1 1 1 2 2 1 V V n V V n V V V n cte V dV cte pdV W + - ÷ ø ö ç è æ + - - = - = - = ò ò ( ) n n V V n cte W - - - - = 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 2 1 2 2 - - = ÷ ø ö ç è æ - - = - - n V p V p V V p V V p n W n n n n 2 2 1 1 V p V p cte pV = = = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - = - = - = ò ò 1 2 2 2 1 2 1 1 1 2 2 1 V V V P V V V P V dV cte pdV W V V V V ln * ln * ( ) kJ 12,0 0,04) (0,1 * 200000 - - - 1 2 12 2 1 = = - - = D - = - = ò V V p V p dV p W V V kJ 7,33 - = ÷ ø ö ç è æ - = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - = 04 0 1 0 04 0 200000 1 2 1 1 , , ln * , * ln * V V V P W 3 1 2 2 3 1 1 1 , , V p V p = 3 1 2 3 1 1 0 04 0 200000 , , , , * p = 3 1 10 0 04 0 200000 , , , * ÷ ø ö ç è æ kJ 6,41 - = - = - - = 3 0 04 0 200000 1 0 60773 1 1 1 2 2 , , * , * n V p V p W ( ) 1 2 12 v v m p W - - = . . ( ) 0759 0 42492 0 5 10 5 5 12 , , . * * . - - = W ò - 2 1 pdV ( ) ( ) ò ò ÷ ø ö ç è æ - + + - = + + - = 2 1 2 1 dV A x x k A mg P dV P P P W o atm mola emb atm ( ) ( ) ò ò ÷ ø ö ç è æ - + + - = ÷ ø ö ç è æ - + + - = 2 1 2 2 1 dV A V V k A mg P dV AA x x kA A mg P W o atm o atm ( ) dV A kV A kV p dV A V V k P W V V o o ò ò ÷ ø ö ç è æ + - - = ÷ ø ö ç è æ - + - = 2 1 2 2 2 1 2 ' ( ) 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 V V p p V p p dV A kV p W V V - ÷ ø ö ç è æ + - = D ÷ ø ö ç è æ + - = ÷ ø ö ç è æ + - = ò ( ) ( ) ( ) ( ) kJ V V p p W 77 6 3 0 6 0 10 09806 0 5 3 1 1 2 1 2 1 2 1 6 1 2 12 , , , . , , , - = - + - = - + - = ( ) r F sen r F r F T . . . = = ´ = 90 r r r F r T = T n n r r T w . . . . . p p 2 2 = = F n r ds F ds F w tf . . . . . . p 2 0 = = = ò ò T n v F s F w . . . . & & & p 2 = = = 2 12 1 WPdV = ò 2 12 1 WPdV = ò 1221 () WPVV =- 12 200(0,10,04) W =- 12 12,0 WkJ = 2 12 1 1 WmRTdV V = ò 2 1211 1 ln V WPV V éù = êú ëû PVmRT = 1 PmRT V = 12 0,1 200.0,04ln 0,04 W éù = êú ëû 12 7,33 WkJ @ 1,3 PVk = 2 12 1 n k WdV V = ò 2 12 1 1 1 1 n Wk V n - = éù êú - ëû ( ) 11 12 21 1 nn k W n VV -- =- - ( ) 122211 1 1 WPVPV n =- - 12 60,77.0,1200.0,04 11,3 W - = - 12 6,41 WkJ @ 12 0 W = FF ¯= åå 01 pm FPAmgkxF ¯=++D+ å FPA = å 01 pm PAPAmgkxF =++D+ 1 0 pm mgkxF PP A +D+ æö =+ ç÷ èø ( ) 12 1221 2 PP WVV + =- ( ) 12 190,2600 0,5.0,22130,15696 2 W + =- 12 12,71 WkJ @ Widt e ¶=- : diferença de potencial; i : corrente; t : tempo. e WdL t ¶= : Força aplicada ao fio; L : comprimento esticado; t WdA ¶=Ã : tensão superfícial da película; A : área da película; Ã WdL t ¶=- WdA ¶=-Ã ... WPdVidtdLdA et ¶=---Ã+ WPdV ¶= 2 12 1 QQ =¶ ò Q Q dt ¶ = & Q q m = dT QkA dx =- & QhAT =D & 4 s QAT es = & 2 12 1 WPdV = ò 1221 () WmPvv =- 12 0,2.400(0,231230,46246) W =- 12 18,50 WkJ - @ 2211 12 1 PVPV W n - = - PVmRT = ( ) 21 12 1 mRTT W n - = - PV m RT = 300.0,2 0,1889.373,15 m = 0,85 mkg @ ( ) 12 0,85.0,1889200100 11,2 W - = - 12 80,28 WkJ - @ 2 2 15/ 1 35201515 o hWmK Am TCK = = D=-== 225225 J QW s == & 15min900 ts == 202,5 QkJ =
Compartilhar