03 Termodinâmica

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Primeiro Princpio da Termodinmica Processos Adiabtico Isobrico Isomtrico Isotrmico Cclico Balano de Energia para Sistemas Fechados Exemplos Anlise de Energia para Ciclos

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<ul><li> 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sumrio Primeiro Princpio da Termodinmica Processos Adiabtico Isobrico Isomtrico Isotrmico Cclico Balano de Energia para Sistemas Fechados Exemplos Anlise de Energia para Ciclos 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 1 </li></ul><p> 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Primeiro Princpio da CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICATermodinmica Caso especial do princpio daconservao de energia: a nica variaona energia de um sistema a variao na g sua energia interna U, e os nicosmecanismos de transferncia deenergia so o calor Q e o trabalho W. Primeiro Princpio da Termodinmica: U = Q W18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 2 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Processos Processo Adiabtico:quando no ocorre transferncia de energiasob a forma de calor entre o sistema e avizinhana Q 0 Q=0 Sistemaadiabtico 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 3 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Processos Processo Isobrico:quando ocorre a umappresso constante Processo isomtrico: (ou isocrico) q quando no ocorre transferncia de energia sob a forma de trabalhoW=018/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 4 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAProcessos Isoterma Processo isotrmico:temperatura constanteU = 0 Processo Cclico:O sistema no isoladocomea e terminano mesmo estadoU = 018/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 5 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Balano de Energia para CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICASistemas FechadosVariao da quantidade Quantidade de energia transferida Quantidade de energia transferida de energia contida no para o interior do sistema atravs para o exterior do sistema atravs interior do sistema durante = da fronteira sob a forma de calor da fronteira sob a forma de trabalho um determinado intervalo durante um determinado intervalo durante um determinado intervalo de tempo de tempo de tempo O aumento ou reduo de energia igual aosaldo atravs da fronteira. fronteira Ec + Ep + U = Q W A transferncia de energia atravs dafronteira origina um aumento de pelo menosuma das formas de energia: cintica,ppotencial ou interna.18/09/2009 09:50 Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 6 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Diferentes Formas da Equao CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA de Balano de Energia gDiferencial: dE = Q - WEquao de Balano sob a forma de PotnciaTaxa de variao da Taxa lquida de transferncia Taxa lquida de transferncia quantidade d energia d energia para o i t i dtid d deide iinterior do d energia para o exterior dde i t i do = contida no interior do sistema atravs da fronteira sob sistema atravs da fronteira sob sistema no instante t a forma de calor no instante t a forma de trabalho no instante t dE dEc dEp dU &amp; &amp;=+ + = Q -W dt dt dt dt 18/09/2009 09:50 Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel7 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exemplo 2.3 p101,3 kPa 45,4 45 4 kg0,09 m0,27 kg,g 0,04 m 41,9 kJ/kg O ar e o pisto esto em repouso no incio e no fim do processo. O material do cilindro-pisto um composto cermico. Determinar a transferncia de calor da resistncia para o ar, em kJ, para um sistema composto de (a) apenas ar e (b) ar e pisto. 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 8 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Modelo de Engenharia g1. Dois sistemas fechados so considerados.2. A nica transferncia de calor significativa da resistncia para o ar ar se expande, presso constante3. No h variao lquida na energia cintica, na energia potencial do ar e na energia interna do pisto (isolante).4.4 Atrito desprezvel5. g = 9,8 m/s18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 9 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAExemplo 2.3p ( EC + EP + U) arQW mpistog pfundo := + patm ECarEP ar 0Apistoi t5 pfundo = 1.063 10 Pa QW + Uar V 2 W p dV V ( p V2 V1)W := pfundoVW = 4.251kJ1 Q := W + mar Uar_espQ = 15.564kJ ( ) pfundo patm Apisto mpisto g 18/09/2009 09:50 Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 10 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exemplo 2.4 pAr Durante uma operao em regime permanente uma caixa depermanente, reduo recebe 60 kW atravs do eixo de entrada. Calcule a taxa de transferncia de calor e a potncia fornecida atravs do eixo p de sada (Tb a temperatura da caixa). 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 11 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Modelo de Engenharia g1. A caixa de reduo um sistema fechado em regime permanente.2. Para a caixa de reduo, o modo de transferncia de calor dominante a conveco. conveco (Q. := h A Tb Tf) Q. = 1.197kWd E Q. W. ouQ.W1 + W2dt W2. := Q. W1.W2. = 58.803kW 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 12 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIANCLEO DE ENGENHARIA MECNICAExemplo 2.5 p Um chip de silcio, medindo 5 mm de lado e 1 mm de espessurap, p est inserido em um substrato cermico. Em regime permanente, o chip desenvolve uma potncia eltrica de 0,225 W. Se a conduo de calor chip/substrato for desprezvel, / determine a temperatura do chip. 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAModelo de Engenhariag1. O chip um sistema fechado em regime permanente.2. No h transferncia de calor entre o chip e o substrato.dE Q. W. dtQ. W (h A Tb Tf )W Tb :=+ TfTb = 353.15 K h A 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 14 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exemplo 2.6 p A taxa de transferncia de calor entre um certo motor e sua vizinhana dado por uma funo. O eixo gira a 955 rpm e aplica um torque de 18 Nm a uma carga externa, desenvolvendo 2 kW. Para o motor, represente graficamente Q e W e a variao da energia no tempo. tempo 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Modelo de Engenharia g1. O sistema corresponde a um sistema fechado.Weixo := Weixo = 1.8kWW. := Weixo + Weletrico: W. = 0.2 kW0.2kWdE Q. W.(0.2 1 e 0.05t ) 0.2 dt t E 0.2e 0.05tdt (E ( t) := 4 1 e 0.05t )0 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel16 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAGrfico 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 17 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Anlise de Energia para Ciclosg p Balano de Energia para um Ciclo: E ciclo = Qciclo Wciclo Qciclo = WcicloPara ciclos, considera-seciclos considera se positivo o sentido esboado, escrevendo o balano de acordo com essa conveno.PotnciaRefrigerao 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel18 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Ciclos de Potncia A entrada de trabalho lquido igual transferncia de calor lquida para o ciclo: Wciclo = Qentra Qsai O desempenho de um sistema ou a eficinciatrmica d ciclo d potncia d d por: i do i l de i dado Qentra Qsai Qsai= =1Qentra Qentra Como a energia se conserva, conclui-se que a eficincia trmica jamais pode ser maior do que a unidade. 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 19 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Gerao de Energia g 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 20 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Sistemas de Vapor p 11 I12A S G SE 4 14II3 65 B CH4A7III189C 13D 192 23N L T . E .E R R20A 1710 21 22 GH18 18/09/2009 09:50 Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 21 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Ciclos de Refrigeraog Para ciclos desse tipo, Qentra o calortransferido do corpo frio para o sistema e Qsai do sistema para o corpo. Resultando:pp Wciclo = Qsai Qentra Oddesempenho d ciclos d refrigerao ou o h de i l de f icoeficiente de desempenho dado por: QentraQentra== Wciclo Qsai Qentra18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 22 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Ciclos de Refrigeraog Em um refrigerador domstico, o compartimento interno age como o corpo frio e o ar ambiente, como o corpo quenteambiente quente. A energia Qentra passa dos alimentos para o fluido de refrigerao e Qsai passa d fl id para o ar ambiente.do fluidobi t18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 23 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECondicionador de Ar CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAAutomotivoCondensador CompressorHVACCaixa de ar Tubos M T b &amp; Mangueiras i Evaporador 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 24 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Bomba de Calor O desempenho das bombas de calor ou ocoeficiente de desempenho dado por:Qsai Qsai = =Wciclo Qsai Qentra 1A energia Qentra retirada da atmosfera circundante, do solo ou circundantede um corpo dgua prximo. 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel25 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Bomba de Calor CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Para que serve?q Casa Impact 2000, Massachusetts, EUA Aquecimento Refrigerao gua QuenteFoto cedida por : Solar Design Associates (NREL PIX) Slidas fundaes anticongelantesmas tambm Bomba de Calor Residencial Eficincia Capacidade estvel Menos Manuteno Conforto e qualidade do ar Menos necessidade de espao Reduzido pico de eletricidade para ar Baixo custo operacional condicionado 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel26 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Bomba de Calor CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAComponentesp1. Conexo terra AcopladoA l d ao solo l gua do solo gua da superfcied f3 2. Bomba de calor de2 fonte lquida3. Subsistema de distribuio de aquecimento/resfria 1mento interior Dutos convencionais18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel27 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Bomba de Calor Bomba de CalorCompressor gua-para-arVapor de Alta TemperaturaVapor de Baixa Pressoe Alta Presso Direo Reversae Baixa Temperatura 3,5 a 35 kW de refrigerao por unidadeCondensadorEvaporador U id d Unidades mltiplas para Lquido de Alta Pressoe Alta TemperaturaLquido de Baixa Pressoe Baixa Temperaturagrandes edifcios Vlvula de Expanso Calor residual oriundo da compresso gera gua quente atravs de desuperaquecedor 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 28 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Tipos de Ligao Terra pg Vertical Horizontalgua do soloSolo rochosoUsa mais terraAqufero + InjeoMais caro Menos caroO menos caroPouca terra usada Pequenos edifciosRegulamentaoAlta eficincia Variao de temperatura Sujeira Tambm trocadores de calor de gua superficial e de coluna18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel29 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIANCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Temperaturas do Solo p O solo absorve aprox. Metade da energia incidente do sol O solo atenua variaes de temperaturaRATURA BCFS mais eficiente TEMPER Variao de temperatura diminui p com profundidade Irrelevante abaixo de INVERNO VERO OUTONO Grfico: Guia Canadense de Edifcios15m Temperaturas do solo no local dependem do clima,declividade,d li id d propriedades d solo, etc i d d do l 18/09/2009 09:50 Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 30 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICAExerccio 2.31 Um conjunto cilindro-pisto orientado horizontalmente contm ar aquecido O ar se resfria lentamente, de V1 para V2. aquecido. lentamente Durante esse processo, a mola exerce uma fora que varia linearmente de 900 N at zero. O atrito entre o pisto e ap parede do cilindro pode ser desprezado. Para o ar, determine as presses inicial e final, em kPa, e o trabalho, em kJ.2W12 = pdV1Resp: -0,125 kJ 31 32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exerccio 2.31900N P ini := P atm +2 P ini = 150kPa0.018m P final := P atmP final = 100kPa V2900N ( V V2) V2 W p dV W := P atm + dVW = 125 JV 2 31 0.018m 0.001m V1 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel32 33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exerccio 2.52 A superfcie externa da grelha est a 47C e sua emissividadecorresponde a 0,93. Determine a taxa lquida de transferncia 0 93de calor entre a grelha e a vizinhana por conveco eradiao, em kW/m. , / 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel33 34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIANCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exerccio 2.52W Qr A T4Qc()h A Ts T08 := 5 669610 : 5.66962 4 m K( 4 Qr A := Ts T0 Qr_A 4)Qr A = 0 126 Qr_A 0.126 kW 2 m kW( Qc_A := h Ts T0) Qc_A = 0.2 2 m kW Qt_A := Qr_A + Qc_AQt_A = 0.326 2 m 18/09/2009 09:50Termodinmica - Aula 2 - Prof. Douglas Bressan Riffel 34 35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIANCLEO DE ENGENHARIA MECNICA Exerccio 2.56 Um conjunto cilindro pisto passa por uma expanso de um estado 1,onde a energia interna especfica u1, at um estado 2 (u2). Durante o g p ( )processo, h transferncia de calor para o vapor com uma magnitude de80 kJ. O agitador tambm transfere energia via trabalho. No h variaosignificativa na energia cintica ou potencial do vapor Determine ava...</p>