Termodinâmica Aplicada - AULA 1

Prévia do material em texto

Termodinâmica 
Aplicada
Profa Dra. Simoni M. Gheno
simoni.gheno@docente.unip.brAula 1 
4ª feira
19h10-20h25
20h45-22h00
intervalo
20h25 as 20h45
mailto:Simoni.gheno@docente.unip.br
Objetivos
Entropia
Princípios da 2ª Lei da Termodinâmica e seu 
uso em aplicações em sistemas térmicos
Desenvolvimento do 
raciocínio dedutivo para 
melhor aplicar os conceitos 
de Energia Térmica.
O quê?
Por que?
Como?
Exergia
Sistemas de Potência a Vapor e de Refrigeração
O quê?
Por que?
Através das nossas aulas: 
teoria, exemplos e 
exercícios.
Como?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Conteúdo Programático
2ª Lei da Termodinâmica. Aplicação da 2ª Lei da Termodinâmica para Sistemas 
Fechados e aplicada a Volume de Controle.
Entropia. Identificando irreversibilidades. Processos isentrópicos. Variação de 
entropia para gases ideais. Eficiência isentrópica.
Apresentação e Conceituação de Exergia. Variação da Exergia de um Sistema. 
Transferência de exergia por calor, trabalho e fluxo de massa. Balanço de 
Exergia para Sistema Fechado e Volume de Controle. 
Ciclo a Vapor de Carnot. Ciclo de Rankine Ideal. Ciclo de Refrigeração por 
compressão ideal.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Bibliografia
Bibliografia Básica
Moran, M.J. e Shapiro, H.N., “Princípios de Termodinâmica 
para Engenharia”, 6ª Ed., Editora LTC, 2009.
Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da 
Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 2010.
Çengel, Y.A. e Boles, M.A., “Termodinâmica”, 5ª Ed., Editora 
McGraw-Hill, 2007.
Bibliografia Complementar
Wylen, G.J.; Sonntag,R.E. e Borgnakke, C., “Fundamentos da 
Termodinâmica Clássica”, 4ª Ed., Editora Edgard Blucher, 
1997.
Luiz, A.M., “Termodinâmica – Teoria e Problemas 
Resolvidos”, 1ª Ed., Editora LTC, 2007.
Potter, M.C. e Scott, E.P., “Termodinâmica” 1a Ed., Editora
Thomson Learning, 2006.
Smith, J.M.; Van Ness, H.C. e Abbott, M.M., “Introdução à 
Termodinâmica da Engenharia Química”, 7ª Ed., Editora 
LTC, 2007.
https://livrosemissao.blogspot.com/2017/05/aprenda-ler-30-livros-por-ano.html
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
…vamos começar?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Esta Foto de Autor Desconhecido está licenciado em CC BY-SA-NC
http://learning-otb.com/index.php/experience
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
Introdução a 2ª Lei da Termodinâmica
A 1ª lei da Termodinâmica é apenas uma expressão do princípio de conservação
de energia, e diz que a energia é uma propriedade Termodinâmica.
A 2ª Lei diz que a energia tem qualidade, assim como quantidade, e que dos
processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade de energia
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Fig 6.1: Çengel, 5 ed.
Exemplo: o café quente em uma xícara deixada sobre
uma mesa esfria após um certo tempo, mas o café frio
em uma xícara deixada em uma sala nunca esquenta por
conta própria
Sabemos que uma xícara de café quente deixada em uma sala fria irá se esfriar.
Esse processo satisfaz plenamente a 1ª Lei, uma vez que a quantidade de energia
perdida pelo café é igual à quantidade ganha pelo ar nas vizinhanças.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Fig 6.1: Çengel, 5 ed.
Imagine agora o processo inverso....
... O café ficando mais quente ainda em uma sala
fria, como resultado da transferência de calor da
sala para o café. Esse processo jamais ocorrerá,
mesmo assim não violaria a 1ª Lei, uma vez que a
quantidade de energia perdida pelo ambiente seria
igual à quantidade ganha pelo café.
Esses argumentos mostram que os processos ocorrem em uma determinada
direção, e não na direção oposta, mostrando que o cumprimento da 1ª Lei não
garante que o processo possa de fato ocorrer.
Introdução a 2ª Lei da Termodinâmica
Para que um processo aconteça precisa satisfazer a 1ª e a 2ª Leis da Termodinâmica, simultaneamente
Aprenderemos ao longo da nossa aula que um processo não pode acontecer a
menos que ele atenda simultaneamente a 1ª e a 2ª Leis da termodinâmica.
Existem 2 importantes enunciados que estudaremos.
O uso da 2ª Lei não se limita apenas a direção de um processo, mas também a
qualidade da energia.
Introdução a 2ª Lei da Termodinâmica
É importante que você aluno entenda que a energia é muito valiosa e ela está
disponível em diferentes formas e construções. Sob o ponto de vista econômico,
podemos dizer aqui que a energia organizada é muito mais valiosa do que a
energia desorganizada, e uma das grandes aplicações da Termodinâmica é a
conversão de energia desorganizada (calor) em energia organizada (trabalho)
através de dispositivos especiais chamados máquinas térmicas, como por
exemplo motores de automóveis e usinas de potência.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A 2ª Lei também é usada na determinação dos limites teóricos para o desempenho 
dos sistemas de engenharia mais utilizados, como máquinas térmicas, 
refrigeradores, por exemplo. 
A 2ª lei também está intimamente relacionada ao conceito de perfeição. Ela pode 
ser usada para quantificar o nível de perfeição de um processo e apontar a direção 
para que se MINIMIZE imperfeições de forma eficaz.
Introdução a 2ª Lei da Termodinâmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Um corpo hipotético que possua capacidade
de energia térmica relativamente grande,
que possa fornecer ou remover quantidades
finitas de calor sem sofrer qualquer variação
de temperatura pode ser modelado como
reservatório de energia térmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Fig 6.6.: Çengel, 5 ed.
Reservatórios de Energia
Um reservatório que fornece energia na forma de calor é chamado fonte (quente) e
um que recebe energia na forma de calor é chamado sumidouro (fria). Os
reservatórios de energia térmica são chamados de reservatórios térmicos, uma vez
que fornecem ou removem energia sob a forma de calor.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Uma fonte fornece energia na forma 
de calor e um sumidouro a remove
Fonte: Fig 6.7: Çengel, 5 ed.
A transferência de calor para o meio ambiente a partir de 
fontes industriais é uma das grandes preocupações de 
ambientalistas e engenheiros. O gerenciamento 
irresponsável de energia dissipada por essas instalações 
contribui significativamente com a poluição térmica que 
pode afetar gravemente a vida aquática de rios e lagos.
Reservatórios de Energia
A 2ª Lei da Termodinâmica
Apresentaremos agora a 2ª lei e seus enunciados que explicam a direção como os
processos ocorrem e que a energia tem quantidade e qualidade.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas e o enunciado de Kelvin-Planck
Refrigeradores e enunciado de Clausius
Máquinas Térmicas e o enunciado de Kelvin-Planck
“É impossível para qualquer dispositivo que opera em ciclo receber calor de um 
único reservatório e produzir uma quantidade líquida de trabalho”
Ou seja, uma máquina térmica deve trocar calor com 
um sumidouro a baixa temperatura e também com 
uma fonte a alta temperatura para se manter em 
operação.
Fonte: Fig 6.18: Çengel, 5 ed.
Exemplo
A máquina térmica da figura 
ao lado viola o enunciado 
de Kelvin-Planck da 2ª Lei 
da Termodinâmica. 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
2ª Lei
O enunciado de Kelvin-Planck também pode ser expresso como: 
“nenhuma máquina térmica pode ter uma eficiência térmica de 100%”. 
Para uma usina de potência funcionar, o fluido de 
trabalho deve trocar calor com a fornalha e também 
com o ambiente. 
Isso mostra que é impossível se ter uma eficiência 
100% mesmo para máquinas térmicas ideais e que 
isso não se deve ao atrito ou outro efeito de natureza 
dissipativa.” 
Fonte: Fig 6.14: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas e o enunciado de Kelvin-Planck2ª Lei
O trabalho pode ser facilmente convertido em outras forma de energia, mas a
conversão de outras formas de energia em trabalho não é tão elementar.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Fig 6.8: Çengel, 5 ed.
Exemplo - o trabalho mecânico realizado pelo eixo mostrado na 
Figura ao lado é convertido primeiramente em energia interna 
da água. Essa energiapode então ser retirada na forma de 
calor. O processo inverso que consiste em transferir calor para 
a água girar o eixo não é possível.
Máquinas Térmicas 
O que concluímos com isso?
O trabalho pode convertido em calor de forma direta, mas a
conversão de calor em trabalho exige a utilização de dispositivos
especiais – máquinas térmicas.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas
1. Recebem calor de uma fonte à alta temperatura.
2. Convertem parte desse calor em trabalho. 
3. Rejeitam o restante do calor para um reservatório à 
baixa temperatura. 
4. Operam em um ciclo. 
As máquinas térmicas são utilizadas quando calor deve 
ser convertido em trabalho, ou seja, para que a máquina
térmica realize trabalho a entrada necessária (exigida ou
requerida) é a transferência de calor a partir do 
reservatório quente.
Fonte: Fig 6.9: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas
A instalação que mais se ajusta a uma máquina 
térmica é uma usina a vapor.
I – água Líquida em temperatura ambiente é bombeada 
para o interior da caldeira convertendo-a em vapor de 
água em alta temperatura na pressão da caldeira que 
está a uma pressão elevada
Went=quantidade de trabalho necessário para 
comprimir a água até a pressão da caldeira
II – O calor de um combustível é transferido para a água 
que está no interior da caldeira convertendo-a em vapor 
de água que está a alta temperatura na pressão da 
caldeira.
Qent=quantidade de calor fornecido ao vapor na 
caldeira a partir de uma fonte a alta temperatura 
(fornalha)Fonte: Fig 6.10: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas
III – A energia na forma de calor do vapor é transformada 
em trabalho através do eixo de uma turbina, na qual o 
vapor se expande reduzindo temperatura e pressão.
Wsai=quantidade de trabalho realizado pelo vapor 
à medida que se expande na turbina
IV – O vapor ao sair da turbina é condensado em baixa 
pressão e temperatura em um dispositivo denominado 
condensador. O processo ocorre por meio da 
transferência de calor do vapor que escoa externamente 
aos tubos ao fluido de resfriamento que escoa 
internamente aos tubos. A água é então liquefeita e é 
bombeada à caldeira, completando o ciclo.
Qsai=quantidade de calor rejeitado pelo vapor no 
condensador para um sumidouro a baixa 
temperatura ( atmosfera, rio,...)
Fonte: Fig 6.10: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Máquinas Térmicas
Trabalho líquido:
Fonte: Fig 6.10: Çengel, 5 ed.
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 =𝑊𝑠𝑎𝑖 −𝑊𝑒𝑛𝑡
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 =𝑊𝑇 −𝑊𝐵
𝑊𝑇: 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
𝑊𝐵: trabalho necessário para comprimir a água
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 = 𝑄𝑒𝑛𝑡 − 𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖 = 𝑄𝐶 − 𝑄𝐶𝑑
𝑄𝐶: 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 à 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑄𝐶𝑑: calor removido através do condensador
Os ciclos de potência são aqueles que fornecem uma transferência líquida de
energia sob a forma de trabalho.
Nesse modelo de ciclo o trabalho a conversão de calor em trabalho exige a
utilização de dispositivos especiais chamados de máquinas térmicas.
Ciclo de Potência
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Eficiência Térmica
O Qsai representa a magnitude da energia rejeitada
necessária para completar o ciclo e NUNCA será zero.
O trabalho líquido de uma máquina térmica sempre será
menor do que a energia fornecida ao sistema, ou seja,
apenas parte do calor transferido para a máquina térmica é
convertida em trabalho.
Essa fração de calor convertida em trabalho é uma medida
de desempenho de uma máquina e é conhecida como
eficiência térmica.
Fonte: Fig 6.12: Çengel, 5 ed.
𝜂 =
𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
𝜂 =
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑠𝑎𝑖
𝑄𝑒𝑛𝑡
𝜂 = 1 −
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑄𝑒𝑛𝑡
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Podemos economizar Qsai?
Em usinas a vapor o condensador é o dispositivo que rejeita
grandes quantidades de calor em rios, lagos ou mesmo na
atmosfera.
Fonte: Fig 6.14: Çengel, 5 ed.
Podemos remover o 
condensador da usina 
e utilizar toda essa 
energia rejeitada?
NÃO
Por que? Sem o processo de rejeição de calor o ciclo 
não poderia acontecer.
Em regime permanente, um novo ciclo de potência desenvolve 6HP para uma taxa de 
adição de calor de 400BTU/min, segundo seu inventor. Determine a eficiência do ciclo. 
Dado: 1HP=2545BTU/h
Exemplo 1
Solução: A potência desenvolvida e a taxa de adição de calor são fornecidas.
As perdas de calor nas tubulações não são objetos de estudo da Termodinâmica.
Por onde 
começamos?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
𝜂 =
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
ሻ𝜂 = 0,636 (63,6%
𝜂 =
6𝐻𝑃
2545
BTU
h
1HP
𝟏𝐡
𝟔𝟎𝐦𝐢𝐧
400𝐵𝑇𝑈
𝑚𝑖𝑛
Calor é transferido de uma fornalha para uma máquina térmica a 
uma taxa de 80 MW. Se a taxa com a qual calor é rejeitado para 
um rio próximo for de 50 MW, determine: (a) potência líquida 
produzida, (b) eficiência térmica da máquina térmica. 
Exemplo 2
Solução: As taxas de transferência de calor fornecidas e
removidas são informadas no enunciado. As perdas de calor nas
tubulações não são objetos de estudo da Termodinâmica.
Por onde começamos?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑖
(a)
𝜂 =
𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝜂 =
30𝑀𝑊
80𝑀𝑊
Vamos iniciar determinando a potência líquida
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 80𝑀𝑊 − 50𝑀𝑊
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 30𝑀𝑊
A próxima etapa é a determinação da eficiência térmica da
máquina
𝜂 = 0,375 ou 37,5% (b)
… continuação do exemplo 2
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Há 2 enunciados clássicos da 2ª Lei da Termodinâmica:
• Enunciado de Kelvin-Planck que está relacionado às máquinas térmicas 
(acabamos de estudar)
• Enunciado de Clausius que está relacionado a refrigeradores e bombas de 
calor
A 2ª Lei da Termodinâmica
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Podemos transferir calor de uma fonte QUENTE para uma fonte FRIA?
A 2ª Lei da Termodinâmica
SIM
Podemos transferir calor de uma fonte FRIA para uma fonte QUENTE? SIM
Como isso poderia ser possível? Naturalmente, o calor não flui de uma
região mais fria para uma região mais
quente. Para que isto ocorra, existe a
necessidade de forçar o calor a fluir no
sentido contrário ao natural, através de uma
fonte externa de energia – princípio de
funcionamento dos refrigeradores.
“É impossível admitir-se uma máquina térmica que transfere calor de uma fonte fria 
para uma fonte quente sem que ela se movimente à custa de trabalho externo”
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
“É impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito 
que não seja a transferência de calor de um corpo de temperatura mais baixa para outro de 
temperatura mais alta”
Refrigeradores e enunciado de Clausius
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
2ª Lei
Nesse momento, você aluno aprendeu que é impossível espontaneamente que o 
calor flua de uma região de menor temperatura para uma região de maior 
temperatura.
Isso exige dispositivos chamados refrigeradores, que são compostos 
basicamente de:
• compressor, 
• condensador, 
• válvula de expansão,
• evaporador. 
O fluido de trabalho neste caso é chamado de refrigerante - Fluido percorre o 
sistema fechado composto pelas 4 partes do sistema de refrigeração produzindo 
as trocas de calor e trabalho com o meio que o envolve.
Ciclos de Refrigeração
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
T reduz 
bruscamente
Ciclos de Refrigeração
Fluido parcialmente gasoso entra nos 
TUBOS do congelador, extraindo 
calor do interior da geladeira.
Evaporador
Condensador
Compressor
VE
VE – válvula de expansão
Fonte: Fig 6.19: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
3
4 1
2
Em um refrigerador 
doméstico, o 
evaporador se encontra 
no compartimento do 
congelador
Ciclos de Refrigeração
Ciclos de Refrigeração
Elevar 
novamente a 
PRESSÃO
Processo 1-2: ELEVA a temperatura
Evaporador
Condensador
VE
Fonte: Fig 6.19: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
3
4 1
2
Ciclos de Refrigeração
EvaporadorCondensador
Compressor
VE
Fonte: Fig 6.19: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
3
4 1
2
Calor é retirado do interior da 
geladeira - Transferido para o ambiente
O condensador, no 
qual o calor do 
refrigerante é 
dissipado para o ar
da cozinha, se 
encontra
posicionado na parte
traseira do 
refrigerador
Ciclos de Refrigeração
𝐶𝑂P𝑅 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎ú𝑡𝑖𝑙
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
O coeficiente de performance não apresenta limite superior e, por isso, não é
definido como eficiência.
Um 𝐶𝑂𝑃 < 1 é um indicativo de um ciclo de refrigeração com fraco desempenho.
Coeficiente de Performance
O objetivo de um refrigerador é remover calor do espaço refrigerado (ambiente 
interno). Para atingir esse objetivo é necessário trabalho externo, ou seja, para 
verificar a capacidade do refrigerador converter trabalho em energia térmica, deve-
se analisar o coeficiente de performance (COP),
𝐶𝑂P𝑅 =
𝑄𝑟𝑒𝑚𝑜𝑣𝑖𝑑𝑜 (𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑎ሻ
𝑊𝑙𝑖𝑞
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Fonte: Fig 6.54: Çengel, 5 ed.
• Os refrigeradores domésticos são usados 
para preservação de alimentos perecíveis.
• Um refrigerador doméstico é na realidade a 
combinação de um refrigerador e congelador
• Atualmente os refrigeradores precisam de 
muito menos energia devido ao uso de 
motores e compressores menores e de 
alta eficiência, além de melhores materiais 
de isolamento, trocadores de calor mais 
eficientes e melhores sistemas de 
vedação das portas.
• Apesar das inúmeras melhorais nos 
materiais o ciclo básico de refrigeração por 
compressão do vapor permaneceu o 
inalterado.
Refrigeradores Domésticos
Outro dispositivo que 
transfere calor de um 
ambiente mais frio para 
outro mais quente é a 
bomba de calor.
Fonte: Fig 6.22: Çengel, 5 ed.
Bomba de Calor
Refrigerador – manter um espaço refrigerado à uma temperatura baixa;
para isso é necessário remover calor desse espaço. Para descarregar
calor em um ambiente que está a uma temperatura mais alta é a parte
necessária da operação, e não uma finalidade.
Refrigeradores e bombas de calor funcionam com um mesmo ciclo, mas com 
objetivos diferentes.
Bomba de Calor
Bomba de calor – manter um espaço aquecido a uma temperatura mais
alta. Para esse fim, a bomba de calor remove calor de uma fonte a baixa
temperatura (águas subterrâneas, ar frio do inverno,...) e fornece esse
calor a um ambiente a alta temperatura, como uma casa, por exemplo.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Sistemas de condicionamento de ar equipados com controles apropriados em uma válvula 
inversora funcionam como condicionadores de ar no verão e, no inverno, como bombas de calor.
𝐶𝑂P𝐵𝐶 =
𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
O coeficiente de performance não apresenta limite superior e, por isso, não é
definido como eficiência.
Atualmente as bombas de calor tem COP médio sazonal de 2 a 3.
Coeficiente de Performance
A medição do desempenho de uma bomba de calor também é expressa em termos 
de coeficiente de performance - COPBC
𝐶𝑂P𝐵𝐶 =
𝑄𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 (𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒ሻ
𝑊𝑙𝑖𝑞
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 4°C por 
meio de remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. Se a energia 
necessária for fornecida ao refrigerador a uma taxa de 2 kW, 
determine: 
(a) coeficiente de desempenho do refrigerador, 
(b) A taxa com o qual o calor é rejeitado na sala em está instalado o 
refrigerador. 
Exemplo 3
Solução:
O consumo de potência do refrigerador foi fornecido – 2kW
O COP e a taxa de rejeição de calor devem ser determinados
Fonte: Fig 6.24: Çengel, 5 ed.
Por onde começamos?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
(a)
Vamos iniciar determinando o coeficiente de performance - COP
A próxima etapa é a determinação da quantidade de calor que será
removida
(b)
… continuação do exemplo 3
Fonte: Fig 6.24: Çengel, 5 ed.
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑊𝑙𝑖𝑞
𝐶𝑂𝑃 =
360
𝑘𝐽
𝑚𝑖𝑛
2𝑘𝑊
𝐶𝑂𝑃 = 3,0
=
360
𝑘𝐽
𝑚𝑖𝑛
1𝑚𝑖𝑛
60𝑠
2𝑘𝑊
=
6𝑘𝑊
2𝑘𝑊
2𝑘𝑊 = 𝑄𝑠𝑎𝑖 − 6𝑘𝑊
𝑄𝑠𝑎𝑖 = 8𝑘𝑊
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Em um sistema de ar condicionado, um compressor necessita de 7ℎ𝑝 para rejeitar 12𝑘𝑊
de calor para o ambiente. Determine a taxa de resfriamento e o desempenho do
compressor.
Solução:
Observe o exemplo trabalha com duas unidades diferentes: kW e hp. Ambas são unidades de
potência e precisaremos utilizar que um fator de conversão para transformar hp no sistema
internacional (1ℎ𝑝 = 0,746𝑘𝑊ሻ.
Para a determinação da taxa de resfriamento, ou seja, da quantidade de calor que precisa ser
removida da fonte fria utilizaremos a 1ª Lei da Termodinâmica, mas considerando as taxas de calor
e trabalho,
ሶ𝑊 = ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 − ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 − ሶ𝑊
ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 12 − 7 ⋅ 0,746
ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 6,78𝑘𝑊
Exemplo 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
O desempenho do compressor será avaliado pelo coeficiente de performance,
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑊
𝐶𝑂𝑃 =
6,78𝑘𝑊
7 ⋅ 0,746 𝑘𝑊
𝐶𝑂𝑃 = 1,29
Portanto, para cada unidade de trabalho aplicado, 1,29 vezes de energia térmica é criada.
… continuação do exemplo 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Uma bomba de calor é utilizada para atender às
necessidades de aquecimento de uma casa mantendo-a
a 20ºC. Nos dias em que a temperatura externa cai para -
2ºC, estima-se uma perda de calor da casa a uma taxa
de 80.000kJ/h. Considerando que nessas condições o
COP da bomba de calor é 2,5 determine:
a) Potência consumida pela bomba de calor
b) Taxa com que o calor é removido do ar frio externo.
Exemplo 5
Fonte: Fig 6.25: Çengel, 5 ed.
Solução:
O COP é fornecido e a potencia consumida bem como a taxa de
remoção de calor devem ser determinadas
Por onde começamos?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
(a)
Vamos iniciar determinando a potência consumida
… continuação do exemplo 5
𝐶𝑂P𝐵𝐶 =
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑊𝑙𝑖𝑞 =
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝐶𝑂P𝐵𝐶
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 8,9kW
=
80.000 𝑘𝐽/ℎ
2,5
= 32.000𝑘𝐽/ℎ
Fonte: Fig 6.25: Çengel, 5 ed.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
A casa está perdendo calor a uma taxa de 80.000kJ/h.
A casa precisa ser mantida a temperatura constante de 20ºC, logo,
a bomba deverá entregar à casa calor à mesma taxa, ou seja,
80.000kJ/kg.
Logo, aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica:
(b)
… continuação do exemplo 5
𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑜 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 (𝑓𝑟𝑖𝑜ሻ
𝑊𝑙𝑖𝑞 + 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑄𝑠𝑎𝑖
Fonte: Fig 6.25: Çengel, 5 ed.
𝑊𝑙𝑖𝑞 + 𝑄𝐿 = 𝑄𝐻
𝑄𝐿 = 𝑄𝐻 −𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑄𝐿 = 80.000𝑘𝐽/ℎ − 32.000𝑘𝐽/ℎ
𝑄𝐿 = 48.000𝑘𝐽/ℎ
Pela circulação em regime permanente de um 
refrigerante a uma baixa temperatura através 
de passagem nas paredes do compartimento 
do congelador, um refrigerador mantém o 
compartimento do congelador a temperatura 
-5°C quando a temperatura do ar que 
circunda o refrigerador é de 22°C. A taxa de 
transferência de calor entre o compartimento 
do congelador e o fluido refrigerante é de 
8000 kJ/h e a potência de entrada necessária 
para operar o refrigerador é de 3200 kJ/h. 
Determine o coeficiente de performance 
(COP) do refrigerador.
Resposta: COP=2,5
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Desafio Termodinâmico
48
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Vamos testar o aprendizado 
através de um quiz?
https://forms.office.com/r/UryXTBUweS
1º 
QUIZ !
49
Profa. Dra. Simoni M. Gheno