Slide 4 - Energia, Trabalho, Potência e Rendimento

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Slide 4 – Energia, Trabalho e Potência
Docente: Leonardo de Souza Santana
Escola Técnica SENAI Santo Amaro
Curso Técnico em Refrigeração e Climatização
Ciências aplicadas
Energia
A energia é parte importante na maioria dos aspectos
de nossa vida diária (Çengel e Boles, 2013).
Fonte: Portal Solar, 2020. Fonte: Marton, 2020. 
Energia (Conforto Térmico)
Fonte: Conhecimento Cientifico, 2020.
O que é metabolismo? 
Processo pelo qual o corpo converte energia dos alimentos 
em calor e trabalho.
O calor que é gerado continuamente
pelo corpo deve ser eliminado a fim de
ter a temperatura interna constante.
A energia total, produzida no interior do corpo é dissipada da
seguinte maneira (Pirani, 2015):
• Trabalho externo realizado pelos músculos; 
• Dissipação de calor sensível através da porção exposta da pele e roupas por 
convecção e radiação; 
• Dissipação de calor latente por transpiração e difusão de umidade pela pele; 
• Dissipação de calor sensível por meio da respiração; 
• Dissipação de calor latente devida à respiração. 
Energia (Conforto Térmico)
Formas de Energia
A energia pode existir em inúmeras formas. Ela pode ser (Çengel e Boles,
2013):
• Térmica; 
• Mecânica; 
• Cinética; 
• Potencial; 
• Elétrica; 
• Magnética; 
• Química; 
• Nuclear. 
A soma de todas as 
formas de energia 
constitui a energia total 
(E) de um sistema. 
𝑒 =
𝐸
𝑚
Energia por unidade 
de massa.
Formas de Energia
Até mesmo a massa pode ser 
considerada como uma forma 
de energia. 
A energia pode ser transferida em um sistema fechado (Sistema com massa fixa) de
duas formas distintas: Calor e Trabalho. Em um volume de controle (fluido em
movimento) a energia também pode ser transferida pelo fluxo da massa (Çengel e
Boles, 2013).
Formas de Energia
Em uma análise termodinâmica, normalmente é útil considerar as diversas
formas de energia que constituem a energia total de um sistema em dois
grupos (ÇENGEL e BOLES, 2013):
• As formas Mascroscópicas de energia: São aquelas que um sistema possui
como um todo, com relação a algum referencial externo, como as energias
cinética e potencial.
• As formas microscópicas de energia: São aquelas relacionadas à estrutura
molecular e são independentes de referenciais externos. A soma de todas as
formas microscópicas de energia é chamada de energia interna (U).
Formas de Energia (Macroscópica)
Energia cinética
É a forma de energia que um sistema possui como resultado do seu movimento
relativo a algum referencial (ÇENGEL e BOLES, 2013).
𝐸𝐶 = 𝑚 ×
𝑉2
2
Onde,
m = massa, [kg];
V = Velocidade, [m/s].
Exemplo 1 (Çengel)
Um local avaliado para a instalação de uma estação eólica tem ventos estáveis 
de velocidade de 8,5m/s . Determine: 
a) A energia do vento para uma massa de 10 kg de ar; 
b) O fluxo de energia de massa de 1,154 kg/s; 
Exemplo 2
Um objeto de massa 500 g possui energia cinética de 2 kJ. Determine a
velocidade desse objeto em m/s.
Exemplo 3
Um motociclista desloca-se a 72 km/h em uma via retilínea. Em dado momento, a
velocidade é alterada para 108 km/h. Sendo a massa do conjunto (moto + motociclista)
350 kg, determine a variação de energia cinética sofrida pelo motociclista.
a) 90 kJ
b) 107,5 kJ
c) 87,5 kJ
d) 97,5 kJ
e) 50 kJ
Formas de Energia (Macroscópica)
Energia Potencial
É a forma de energia que um sistema possui como resultado de sua altura em
um campo gravitacional (ÇENGEL e BOLES, 2013).
𝐸𝑃 = 𝑚 × g × 𝑧
Onde,
m = massa, [kg];
g = gravidade, [m²/s];
Z = elevação em relação ao nível de referência escolhido arbitrariamente.
Formas de Energia (Macroscópica)
Energia Cinética X Potencial
Exemplo 4
Um vaso de 2,0kg está pendurado a 1,2m de altura de uma mesa de 0,4m de 
altura. Sendo g = 10m/s², determine a energia potencial gravitacional do vaso 
em relação à mesa e ao solo.
Exemplo 5
Um corpo de massa de 6 kg está posicionado a uma altura de 30m. Calcule a 
energia potencial gravitacional desse corpo.
Formas de Energia
Os efeitos magnéticos, elétricos e de tensão superficial são significativos apenas
em alguns casos específicos e, geralmente, ignorados. Na falta de tais efeitos, a
energia total de um sistema consiste nas energias cinética, potencial e interna
(u) e é expressa como (ÇENGEL e BOLES, 2013):
Nos volumes de controle, como 
ciclos de refrigeração envolvem 
escoamento de fluidos, sendo 
conveniente realizar a análise de 
fluxo de energia. 
𝐸 = 𝑈 + 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 = 𝑚. 𝑢 + 𝑚.
𝑉2
2
+𝑚.𝑔. 𝑧
Vamos incorporar então a vazão
mássica no lugar da massa.
ሶ𝐸 = ሶ𝑚. 𝑒
Energia mecânica
A energia mecânica pode ser definida como a forma de energia que pode
ser convertida completa e diretamente em trabalho mecânico por um
dispositivo mecânico, como uma turbina (Çengel e Boles, 2020).
Sistemas projetados para transportar fluidos de um lugar
para outro a uma vazão, velocidade e diferença de altura
especificada, e o sistema pode produzir trabalho mecânico
em uma turbina ou consumir trabalho mecânico.
Fonte: Çengel e Boles, 2013. 
As energias Cinética e potencial são conhecidas como 
energia mecânica. No entanto a energia térmica não é uma 
energia mecânica, uma vez que não pode ser convertida 
diretamente em trabalho.
Energia mecânica x trabalho
Uma bomba transfere energia mecânica para um fluido elevando sua pressão e uma
turbina extrai energia mecânica de fluido diminuindo sua pressão. A energia mecânica
de um fluido em escoamento é dada por (Çengel e Boles, 2020):
Fonte: Çengel e Boles, 2013. 
ሶ𝐸𝑚 = 𝑃 + 𝐸𝐶 + 𝐸𝑃 = ሶ𝑚. 𝑃. 𝑣 + 𝑚.
𝑉2
2
+𝑚.𝑔. 𝑧
Trabalho de escoamento
∆𝐸𝑚= 𝑊
A variação de energia mecânica representa o
trabalho mecânico fornecido a um fluido:
Exemplo 6
Um automóvel de massa m = 500kg é acelerado uniformemente a partir do
repouso até uma velocidade escalar v1 = 40 m/s em t1 = 10 segundos, em uma
trajetória retilínea. Despreza-se o efeito do ar. Desprezando o ar, calcule o
trabalho realizado pelo automóvel.
Transferência de Energia
A energia pode ser transferida pode cruzar a fronteira de um sistema fechado 
em duas formas diferentes: Calor e Trabalho. 
Calor é uma energia em 
trânsito.
Transferência de Energia por trabalho
O trabalho, assim como o calor, é um interação de energia entre um sistema
e sua vizinhança (Çengel e Boles, 2020).
O trabalho é uma transferência de energia associada a uma força que age ao longo
de uma distância (Çengel e Boles, 2013).
Se a energia cruza a fronteira de um sistema fechado e não é calor, ela 
deve ser trabalho. 
Um pistão em ascensão e um eixo em rotação estão associados a interações de trabalho. 
Transferência de Energia por trabalho
O trabalho é uma forma de transferência de energia e, portanto sua unidade,
no Sistema internacional, é o J ou KJ (Joule e quilo Joule) (Çengel e Boles,
2020).
Existem outras unidades 
de Energia. 
Caloria
BTU
1 cal = 4,186 J
1 BTU = 1055,06 J
Transferência de Energia por trabalho
O trabalho realizado por unidade de tempo é chamado de potência e é
indicado por ሶ𝑊 (Çengel e Boles, 2020).
A unidade de potência é kJ/s 
ou kW no SI.
Fonte: Clube da Refrigeração, 2017. 
Exemplo 7 
Determine a potência necessária para acelerar um automóvel de 900 kg, indo
de uma velocidade de 0 km/h até 80 km/h em 20s, em uma estrada plana.
Trabalho elétrico
Os elétrons que cruzam a fronteira do sistema realizam trabalho elétrico sobre o
sistema. Em um campo elétrico, os elétrons de um fio se movem sob o efeito das forças
eletromotrizes, realizando trabalho. Quando N coulombs de carga elétrica se movem
em decorrência de uma diferença de potencial V, o trabalho realizado é dado por
(Çengel e Boles, 2013):
𝑊𝑒𝑙𝑒𝑡 = 𝑉.𝑁
O trabalho também pode ser expresso na forma de taxa, ou seja,
potência elétrica (Watts):
ሶ𝑊𝑒𝑙𝑒𝑡 = 𝑉. 𝐼
Formas mecânica de trabalho
Existem várias maneiras diferentes de realizar trabalho, cada uma delas de
alguma maneirarelacionada a uma força agindo ao longo de uma distância.
Na mecânica elementar, o trabalho realizado por uma força constante F sobre
um corpo deslocado de uma distância s na direção da força é dado por:
𝑊 = 𝐹. 𝑠
Exemplo 8
Um bloco de massa igual a 7 Kg é levantado a uma altura de 10 m. Calcule o
trabalho realizado pela força peso sabendo que a gravidade no local é 10m/s2.
Formas mecânica de trabalho
Trabalho contra uma mola
Para determinar o trabalho total contra a mola, precisamos conhecer a
relação fundamental existente entre F e x. Para molas elásticas lineares, o
deslocamento x é proporcional à força aplicada. Ou seja,
𝐹 = 𝐾. 𝑥 (kN)
Onde k é a constante da mola e tem unidade de kN/m.
Fonte: Çengel e Boles, 2013. 
Formas mecânica de trabalho
Trabalho contra uma mola
Quando uma força é aplicada a uma mola, o comprimento da mola muda. Quando esse
comprimento varia de um diferencial Δx sob a influência da força F, o trabalho
realizado é:
𝑊𝑚𝑜𝑙𝑎 =
1
2
𝑘. 𝑥2
2 − 𝑥1
2
Fonte: Çengel e Boles, 2013. 
X1 e x2 são os deslocamentos inicial e final da mola,
respectivamente, medidos com base na posição de repouso da
mola.
Exemplo 9
Uma mola apresenta uma das extremidades fixadas a um suporte. Ao aplicar
uma força na outra extremidade, essa mola sofre uma deformação de 5 m.
Determine a intensidade da força aplicada, sabendo que a constante elástica da
mola é de 110 N/m.
Exemplo 10
Supondo que a mola do exemplo anterior, com a constante elástica de 110 N/m.
Tenha sofrido a ação de forças conforme apresentado na figura.
Fonte: Çengel e Boles, 2013. 
Processo em Regime Permanente
.
O que é regime 
permanente?
Permanente significa sem nenhuma modificação com o tempo.
Ou seja, as propriedades do fluido podem mudar de um ponto
para outro dentro do volume de controle, mas qualquer ponto
fixo elas permanecem constantes durante todo o tempo do
processo (ÇENGEL e BOLES, 2013).
O oposto disso, é o regime 
transiente, ou temporário.
Principio da conservação da massa
A massa é uma propriedade que se conserva, não podendo ser criada, nem destruída
durante um determinado processo, porém em volumes de controle a massa pode
atravessar fronteiras, desta forma, obrigando a ser levado em consideração a quantidade
de massa que entra ou sai do volume de controle (WYLEN, BORGNAKKE e SONNTAG,
2013).
σ ሶ𝑚entrando = σ ሶ𝑚saindo
Para o regime permanente, 
admite-se a hipótese de que o 
estado da massa, em cada 
ponto do volume de controle 
não varia ao longo do tempo.
1ª Lei da Termodinâmica
A energia não pode ser criada nem destruída durante um processo; ela
pode apenas mudar de forma. A primeira Lei é vista como a declaração do
principio da conservação da energia (ÇENGEL e BOLES, 2013).
Balanço de Energia (1ª Lei da termodinâmica)
De acordo ao principio da conservação da energia temos: 
Portanto, a primeira lei da termodinâmica aplicada a um volume de controle
com escoamento em regime permanente (ÇENGEL e BOLES, 2013).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
−
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑠𝑎𝑖𝑛𝑑𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
=
𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
𝑛𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 + ሶ𝑊𝑒𝑛𝑡 +෍
𝑒𝑛𝑡
ሶ𝑚 ℎ +
𝑉2
2
+ 𝑔𝑍 = ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 + ሶ𝑊𝑠𝑎𝑖 +෍
𝑠𝑎𝑖
ሶ𝑚 (ℎ +
𝑉2
2
+ 𝑔𝑍)
Eficiência de conversão de energia
A eficiência é um dos termos mais utilizados na termodinâmica. Ela indica o
grau de sucesso com o qual um processo de transferência ou conversão de
energia é realizado (Çengel e Boles, 2013).
Todas as vezes que uma máquina realiza um trabalho, parte de sua energia
total é dissipada, seja por motivos de falha ou até mesmo devido ao atrito.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 =
𝑅𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝐹𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑜
Eficiência de conversão de energia
Eficiência em um dispositivo mecânico
A transferência da energia mecânica é geralemente realizada por um eixo rotativo e,
portanto, o trabalho mecânico é quase sempre chamado de trabalho de eixo. Uma
bomba, um ventilador, um compressor recebem trabalho de eixo (em geral de um motor
elétrico) e o transferem para o fluido sob a forma de energia mecânica (descontando as
perdas por atrito) (Çengel e Boles, 2013).
𝜂 =
𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎
Eficiência de conversão de energia
Eficiência em um motor elétrico
A energia elétrica é normalmente convertida em energia mecânica de rotação pelos
motores elétricos para mover ventiladores, compressores, bombas, etc. A eficiência
desses processos de conversão caracterizado pela eficiência do motor, que é a razão
entra a potência mecânica produzida pelo motor e a potência elétrica consumida.
Eficiências de motores em plena carga variam de cerca de 35% para motores pequenos
até mais de 97% para motores maiores e de alta eficiência (Çengel e Boles, 2013).
𝜂𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =
𝑆𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
Eficiência de conversão de energia
Eficiência combinada
Geralmente uma bomba ou compressor hermético vem acompanhada de seu motor.
Assim, é natural o interesse na eficiência combinada ou global das combinações motor-
bomba ou motor-compressor(Çengel e Boles, 2013).
𝜂𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 = 𝜂𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 × 𝜂𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =
𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
Exemplo 11
Qual a potência útil disponibilizada por um motor-compressor com eficiência de 
70% e consumo elétrico de 200 W. 
Referências
• PIRANI, Marcelo José. Refrigeração e Ar Condicionado: Parte II – Ar condicionado. Salvador: Departamento 
de Engenharia Mecânica – Universidade Federal da Bahia, 2005. 
• HELERBROCK, R. Energia Mecânica. Brasil Escola. Disponível em: 
<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-
mecanica.htm#:~:text=Energia%20mec%C3%A2nica%20%C3%A9%20uma%20grandeza,a%20energia%20m
ec%C3%A2nica%20permanece%20constante>. Acesso em 14 de Fevereiro de 2020.
• ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.Termodinâmica. 7ª Edição. Porto Alegre, AMGH EDITORA LTDA, 2013.
• CLUBE DA REFRIGERAÇÂO. Entenda as principais unidades de medida, saiba quando usá-las e como 
fazer suas conversões. 2017. Disponível em: <https://refrigerationclub.com/pt-br/entenda-as-principais-
unidades-de-medida-saiba-quando-usa-las-e-como-fazer-suas-
conversoes/#:~:text=kcal%2Fh%3B&text=W.,h%20expressa%20quilocalorias%20por%20hora>. Acesso em 
14 de Fevereiro de 2020.
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-mecanica.htm#:~:text=Energia%20mec%C3%A2nica%20%C3%A9%20uma%20grandeza,a%20energia%20mec%C3%A2nica%20permanece%20constante
Referências
• PORTAL SOLAR. Duas importantes feiras de negócios sobre energias limpas e renováveis acontecem 
em maio. Disponível em: <https://www.portalsolar.com.br/blog-solar/energia-solar/duas-importantes-feiras-
de-negocios-sobre-energias-limpas-e-renovaveis-acontecem-em-maio.html> Acesso em 14 de Fevereiro de 
2020.
• MARTON, F. Pirâmide alimentar? Indústria alimentícia engana nutricionistas há 50 anos. Disponível 
em: <https://super.abril.com.br/blog/supernovas/esqueca-a-piramide-alimentar-industria-de-alimentos-vem-
tapeando-nutricionistas-por-50-anos/> Acesso em 14 de Fevereiro de 2020.
• CONHECIMENTO CIENTÍFICO. Metabolismo, o que é? Definição, características, funções e tipos 
principais. Disponível em: < https://conhecimentocientifico.r7.com/metabolismo/> Acesso em 12 de fevereiro 
de 2020.
https://www.portalsolar.com.br/blog-solar/energia-solar/duas-importantes-feiras-de-negocios-sobre-energias-limpas-e-renovaveis-acontecem-em-maio.html
https://super.abril.com.br/blog/supernovas/esqueca-a-piramide-alimentar-industria-de-alimentos-vem-tapeando-nutricionistas-por-50-anos/
https://conhecimentocientifico.r7.com/metabolismo/