termodinâmica ii - aula inicial

Termodinâmica II Introdução à Termodinâmica para a Engenharia

Prof. MSc. Farley Correia Sardinha

2 Prof. Sardinha Prof. Sardinha

APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA

Metodologia de Trabalho e Discussões Iniciais

3 Prof. Sardinha

Ementa Entropia;

Aplicações da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica;

Ciclos de potência e refrigeração;

Conceitos de disponibilidade e irreversibilidade;

4 Prof. Sardinha

Ementa Aplicações de exergia na análise térmica

de processos;

Mistura de gases e gás-vapor;

Mistura de gases e reações químicas.

5 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 1. Energia e Primeira Lei da

Termodinâmica a) Sistemas termodinâmicos;

b) Estados termodinâmicos e variáveis de estado;

c) Trabalho e energia cinética;

d) Energia Potencial;

e) Conservação da Energia Mecânica;

f) Potência;

6 Prof. Sardinha

Termodinâmica g) Trabalhos de Compressão e Expansão;

h) Transferências de Energia por Calor;

i) Balanço de Energia;

j) Propriedades Termodinâmicas;

k) Conservação de Massa;

l) Balanço da taxa de massa;

7 Prof. Sardinha

Termodinâmica m) Conservação de energia para volume de controle

n) Bocais e difusores;

o) Turbinas;

p) Compressores e bombas;

q) Trocadores de Calor;

r) Análise Transiente.

8 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 2. Segunda Lei da Termodinâmica a) Introdução à 2ª Lei;

b) Disponibilidade e Irreversibilidade;

c) Aplicações a ciclos termodinâmicos;

d) Ciclos de potência interagindo com dois reservatórios

e) Ciclos de refrigeração e bombas de calor;

f) Ciclo de Carnot;

9 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 2. Segunda Lei da Termodinâmica g) Ciclo Otto;

h) Ciclo Diesel;

i) Ciclo Stirling;

j) Escala termodinâmica;

k) Escala dos gases ideais;

l) Máquinas reais X ideais.

10 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 3. Entropia a) Entropia como propriedade do sistema;

b) Valores em diversos casos;

c) Equações TdS;

d) Variação de Entropia;

e) Balanço de Entropia;

11 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 3. Entropia f) Sentido dos Processos;

g) Balanço de taxas;

h) Processos isentrópicos;

i) Eficiência isentrópica de máquinas térmicas;

j) Processos reversíveis.

12 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 4.Análise de Exergia a) Conceituação;

b) Exergia de um sistema;

c) Balanço de exergia em sistemas fechados;

d) Taxa de Exergia para Volumes em Regime Permanente;

e) Eficiência exergética;

f) Termoeconomia.

13 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 5.Sistemas de Potência a) Geração de potência;

b) Sistemas de potência a vapor;

c) Sistemas de Potência a Gás;

d) Sistemas de Refrigeração;

e) Bombas de calor;

f) Relações termodinâmicas.

14 Prof. Sardinha

Conteúdo Programático 6.Mistura de Gases

a) Considerações gerais;

b) Aplicações à psicrometria;

c) Misturas reagentes e combustão.

15 Prof. Sardinha

Objetivos Gerais O aluno deve apreender a relevância dos

conceitos mais fundamentais em Termodinâmica como base para um curso de Engenharia;

Desenvolver a capacidade de identificar tais conceitos ao se deparar com diferentes fenômenos naturais e aplicações tecnológicas.

Tornar-se capaz de empregar tais conceitos em sua vida profissional, utilizando-os no desenvolvimento de soluções dentro das atividades características da Engenharia.

16 Prof. Sardinha

Formas de Avaliação 1º Bimestre (2 avaliações)

Pré-projeto = 2,0 pontos

P1 = 8,0 pontos (Sem. de Avaliações)

2º Bimestre (2 avaliações)

Projeto = 4,0 pontos

P2 = 6,0 pontos (Sem. de Avaliações)

17 Prof. Sardinha

Projeto “Máquinas Térmicas”

Objetivos:

Colocar em prática os conhecimentos adquiridos em aula.

Favorecer o desenvolvimento de habilidades inerentes à Engenharia.

Proporcionar uma avaliação diferenciada dos métodos tradicionais e que leva em conta as habilidades que vão muito além do meio acadêmico.

18 Prof. Sardinha

Projeto “Máquinas Térmicas”

Motivação:

Representar uma máquina térmica, em escala, de forma a tornar possível compreender o seu funcionamento.

Formar uma equipe de NO MÁXIMO 5 PESSOAS para construir um protótipo funcional de uma máquina térmica, tal como um motor Otto, um motor Diesel, um motor Stirling, uma turbina, etc.

19 Prof. Sardinha

Bibliografia Básica MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETNER, D. D.; B

AILEY, M. B. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 7ª Ed., Rio de Janeiro: LTC, 2014.

SCHMIDT, F. W.; HENDERSON, R. E.; WOLGEMUTH, C. H. Introdução às Ciências Térmicas: Termodinâmica, Mecânica dos fluidos e Transferência de Calor. São Paulo: Edgard Blücher, 1996.

WYLEN, G. J. V.; BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica. 6ª Ed., São Paulo: Edgard Blucher, 2003.

20 Prof. Sardinha Prof. Sardinha

REVISÃO GERAL DE TERMODINÂMICA I

Conceitos Importantes

21 Prof. Sardinha

Conceitos e Definições Introdutórias

SISTEMA – qualquer coisa que você queira estudar.

VIZINHANÇA – qualquer coisa externa ao sistema.

FRONTEIRA – separa o sistema de sua vizinhança.

Sistema Vizinhança

Fronteira

Prof. Sardinha Prof. Sardinha

Sistema fechado – é aquele que:

Contém sempre o mesmo tipo de matéria;

Não sofre transferência de massa através de sua fronteira.

Sistema isolado – tipo especial de sistema fechado que não interage de forma alguma com sua vizinhança.

Fronteira

23 Prof. Sardinha

Volume de Controle – é uma região do espaço através da qual flui massa.

A massa pode atravessar a fronteira do volume de controle.

24 Prof. Sardinha

Sistemas podem ser descritos a partir de pontos de vista macroscópicos e microscópicos.

Abordagem Microscópica – objetiva caracterizar por métodos estatísticos o comportamento médio de partículas que compõem um sistema e usa essa informação para descrever o comportamento geral do sistema. É usado pela Termodinâmica Estatística.

Abordagem Macroscópica – descreve o comportamento do sistema em termos de efeitos globais das partículas que compõem o sistema ou, mais especificamente, efeitos que podem ser medidos por instrumentos tais como manômetros e termômetros. É usado pela Termodinâmica Clássica.

A Engenharia usa predominantemente a Termodinâmica Clássica.

25 Prof. Sardinha

Propriedade – é uma característica macroscópica de um sistema para o qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado instante sem conhecimento do comportamento anterior do sistema.

Para o pistão apresentado abaixo pode-se listar:

Volume

Energia

Pressão

Temperatura

26 Prof. Sardinha

Estado – É a condição de um sistema como descrita por suas propriedades.

Frequentemente pode-se especificar o estado de um sistema ao fornecer valores de um subconjunto de suas propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.

Estado: p, V, T, …

27 Prof. Sardinha

Processo – É uma transformação de um estado para outro.

Quando qualquer uma das propriedades de um sistema muda, o estado muda, e se diz que o sistema foi submetido a um processo.

Estado 1: p1, V1, T1, … Estado 2: p2, V2, T2, …

Gás Gás

28 Prof. Sardinha

Propriedades Extensivas – dependem do tamanho ou da extensão de um sistema, tal como a massa, o volume e a energia.

Seu valor para um sistema como um todo é a soma dos valores para suas partes

Seu valor pode variar com o tempo, mas não com a posição.

29 Prof. Sardinha

Propriedades Intensivas – são independentes do tamanho ou extensão de um sistema, tais como pressão ou temperatura.

Seu valor não é aditivo como para as propriedades extensivas.

Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer instante, ou seja, são funções dependentes da posição e do tempo.

30 Prof. Sardinha

Um sistema isolado não interage com sua vizinhança.

No entanto, seu estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos ocorrendo internamente à medida que suas propriedades intensivas, tais como a temperatura e a pressão tendem a valores uniformes.

Quando todas essas mudanças cessam, o sistema entra em um estado de equilíbrio.

Estados de equilíbrio e processos que levam de um estado de equilíbrio para outro têm um importante papel em análises termodinâmicas.

31 Prof. Sardinha

Do ponto de vista macroscópico, a descrição da matéria é simplificada ao se considerar a mesma como sendo uma distribução contínua em uma determinada região.

Quando substâncias são tratadas como continua, torna-se possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas “em um ponto.”

A densidade é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto.

32 Prof. Sardinha

Em qualquer instante, a densidade em um ponto é definida como:

𝜌 = lim𝑉→𝛿𝑉

Onde dV é o menor volume para o qual um valor definido dessa razão existe.

Lembrando que no SI a unidade de medida de densidade é kg/m3, já no sistema britânico a unidade é lb/ft3.

33 Prof. Sardinha

Volume específico (𝜗) – é uma propriedade intensiva que é o recíproco (inverso) da densidade:

𝜗 =1

O volume específico é comumente mais utilizado em análises termodinâmicas, quando se trabalha com gases que tipicamente possuem pequenos valores de densidade.

34 Prof. Sardinha

Considerando uma superfície arbitrária de área A, em um ponto qualquer de um fluido em repouso, a pressão nesse ponto é definida por:

𝑝 = lim𝐴→𝛿𝐴

𝐹𝑁𝐴

Onde dA é a menor área para a qual um valor definido dessa razão existe e FN é a força normal a essa superfície.

35 Prof. Sardinha

A unidade SI para a pressão é o pascal (Pa):

1 Pa = 1𝑁𝑚2

Alguns múltiplos do pascal costumam ser usados:

1 𝑘𝑃𝑎 = 103𝑁𝑚2

1 𝑏𝑎𝑟 = 105𝑁𝑚2

1 𝑀𝑃𝑎 = 106𝑁𝑚2

Dentre as unidades inglesas destacam-se:

pounds force per square foot → 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑡2

pounds force per square inch → 𝑙𝑏𝑓 𝑖𝑛2

36 Prof. Sardinha

Pressão Absoluta – relacionada à pressão zero de um vácuo completo. Ela deve ser usada em relações termodinâmicas.

Instrumentos medidores de pressão frequentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera fora do instrumento de medida.

Quando a pressão do sistema é maior que a pressão atmosférica, o termo pressão manométrica é usado:

𝑝 𝑚𝑎𝑛 = 𝑝 𝑎𝑏𝑠 − 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠

Quando a pressão atmosférica é maior que a pressão do sistema, o termo pressão de vácuo é usado:

𝑝 𝑣𝑎𝑐 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠 − 𝑝 𝑎𝑏𝑠

38 Prof. Sardinha

Se dois objetos (um mais aquecido que o outro) forem colocados em contato e isolados de sua vizinhança, eles interagirão termicamente de forma a causar mudanças em propriedades observáveis.

Quando as mudanças em ambos os objetos cessarem eles entrarão em equilíbrio térmico.

A temperatura é a grandeza física que determina quando esse equilíbrio térmico ocorre.

39 Prof. Sardinha

40 Prof. Sardinha

Balanço de Energia para Sistemas Fechados

Energia é uma propriedade extensiva que inclui a energia cinética e a energia potencial gravitacional da engenharia mecânica.

Para sistemas fechados, a energia é transferida para dentro e para fora do sistema, através de sua fronteira, por duas maneiras: através do calor e da realização de trabalho.

Segundo a 1ª Lei da Termodinâmica, a energia sempre se conserva.

41 Prof. Sardinha

Balanço de Energia para Sistemas Fechados

O balanço de energia para sistemas fechados implica em:

A mudança na quantidade de energia contida dentro de um

sistema fechado durante certo intervalo de tempo

A transferência líquida de energia para dentro e para fora da fronteira de

um sistema por calor e/ou trabalho durante

esse intervalo de tempo

42 Prof. Sardinha

Mudança de Energia de um Sistema

Em termodinâmica a variação de energia de um sistema tem três contribuições:

Energia cinética

Energia potencial gravitacional

Energia interna

43 Prof. Sardinha

Variação na Energia Cinética A variação da energia cinética está associada

com o movimento do sistema como um todo, relativamente a um sistema de coordenadas externo.

Para um sistema de massa m, a variação da energia cinética do estado 1 para o 2 é:

DK = K2 – K1 =𝑚

2𝑣2

2 − 𝑣12

44 Prof. Sardinha

Variação na Energia Potencial Gravitacional

A variação da energia potencial gravitacional está associada com a posição do sistema com relação ao campo gravitacional terrestre.

Para um sistema de massa m, a variação da energia potencial gravitacional do estado 1 para o 2 é:

DP = P2 – P1 =𝑚.𝑔. 𝑧2 − 𝑧1

45 Prof. Sardinha

Variação da Energia Interna A variação da energia interna (DU) está

associada à composição do sistema, incluindo sua composição química.

Não existe uma equação simples como as duas anteriores para calcular a variação da energia interna. Na maioria dos casos a variação é calculada usando dados tabelados.

46 Prof. Sardinha

Variação da Energia TOTAL Em suma, a variação da energia total de um

sistema, que passa de um estado 1 para um estado 2, será dada por:

∆𝐸 = ∆𝑈 + ∆𝐾 + ∆𝑃

Ou seja: 𝐸2 − 𝐸1 = 𝑈2 − 𝑈1 + 𝐾2 − 𝐾1 + 𝑃2 − 𝑃1

Não existe nenhum significado particular a ser atribuído à energia do sistema em um estado, o que mais importa é sua variação!

47 Prof. Sardinha

Transferência de Energia A energia pode ser transferida de um

sistema para outro através de duas formas:

Trabalho;

Calor.

Mas, lembre-se que a Termodinâmica interpreta o trabalho de uma forma mais ampla do que a Mecânica.

48 Prof. Sardinha

Exemplos de trabalho

49 Prof. Sardinha

Transferência de Energia por Trabalho

Como a Termodinâmica frequentemente lida com motores de combustão interna, turbinas e geradores elétricos, convencionou-se a regra:

𝑊 > 0 → Trabalho feito PELO sistema;

𝑊 < 0 → Trabalho feito SOBRE O sistema;

O mesmo vale para a potência 𝑊 .

50 Prof. Sardinha

Trabalho de Expansão e Compressão

Considerando o sistema abaixo:

O trabalho é dado por:

𝑊 = 𝐹. 𝑑𝑥 = 𝑝. 𝐴. 𝑑𝑥 ⇒ 𝑊 = 𝑝. 𝑑𝑉𝑉2

51 Prof. Sardinha

Essa equação pode ser usada para calcular o trabalho de processos ideais, durante os quais a pressão p é a pressão de todo o gás e não aquela somente na face do pistão.

Para isso deve-se supor que o gás passa uma sequência de estados de equilíbrio durante o processo.

Tal expansão (ou compressão) ideal é chamada de processo de quase-equilíbrio (ou quase-estático).

52 Prof. Sardinha

Em uma expansão em quase-equilíbrio o processo sofrido pelo gás ocorre como no gráfico ao lado.

Ao se calcular o trabalho realizado pelo gás através da equação anterior obtém-se valor igual à área sob o gráfico.

54 Prof. Sardinha

Um exemplo de processo quase-equilíbrio é o processo politrópico, que é descrito pela equação:

𝑝. 𝑉𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Para o caso n = 1, então p1.V1 = p2.V2 = const:

𝑊 = 𝑝. 𝑑𝑉𝑉2

𝑊 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

𝑉. 𝑑𝑉

𝑊 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 . 𝑙𝑛𝑉2𝑉1

55 Prof. Sardinha

Exemplo 1. Um gás em um conjunto cilindro-pistão passa

por uma expansão politrópica. A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3.

Determine o trabalho, em kJ, se:

a) n = 1,5

b) n = 1,0

c) n = 0

56 Prof. Sardinha

Transferência de Energia por Calor

A transferência de energia por calor é induzida pela diferença de temperaturas entre o sistema e sua vizinhança.

Essa transferência sempre ocorre na direção do decréscimo de temperatura.

57 Prof. Sardinha

Ao contrário da transferência de energia por trabalho, a transferência por calor obedece a seguinte regra: 𝑄 > 0 → Calor RECEBIDO pelo sistema;

𝑄 < 0 → Calor CEDIDO pelo sistema;

O mesmo vale para a taxa de transferência de energia por calor 𝑄 .

Se um sistema passa por um processo sem trocar calor com sua vizinhança, o processo é dito adiabático.

58 Prof. Sardinha

A energia pode ser transferida por calor de três maneiras:

Condução – é a transferência de energia por interação entre partículas adjacentes (sempre das mais energéticas para as menos energéticas) de uma ou mais substâncias.

Convecção – é a transferência de energia por interação entre uma superfície sólida e um fluido adjacente pela combinação de efeitos de condução e fluxo de partes do fluido.

Irradiação – é a transferência de energia por radiação térmica, sem a necessidade de um meio material.

Transferência por Condução Pela Lei de Fourier, a taxa de

transferência de energia através de um plano paralelo ao eixo x é:

𝑄 𝑥 = −𝜅. 𝐴.𝑑𝑇

𝑑𝑥

Considerando que a temperatura decresce linearmente com x:

𝑄 𝑥 = −𝜅. 𝐴.𝑇2 − 𝑇1

Transferência por Convecção Pela Lei de Resfriamento de Newton, a taxa de

transferência de energia por convecção é dada por:

𝑄 𝐶 = ℎ. 𝐴. 𝑇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

Onde h é um parâmetro empírico chamado coeficiente de transferência de calor por convecção.

Transferência por Irradiação Pela Lei de Stefan-Boltzman, a taxa de transferência de

energia por ondas eletromagnéticas é dada por:

𝑄 𝑟 = 𝜀. 𝜎. 𝐴. 𝑇𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠𝑜𝑟4 − 𝑇𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟

Onde e é uma propriedade da superfície chamada emissividade e s é constante de Stefan-Boltzman.

62 Prof. Sardinha

Balanço de Energia p/ Sistemas Fechados

Pode-se resumir os conceitos introduzidos até agora como abaixo:

Ou seja: ∆𝐸 = 𝑄 −𝑊

∆𝐾 + ∆𝑃 + ∆𝑈 = 𝑄 −𝑊

VARIAÇÃO na quantidade de energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo.

Quantidade de energia RECEBIDA através das fronteiras do sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR.

Quantidade de energia CEDIDA através das fronteiras do sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.

63 Prof. Sardinha

Então, taxa de transferência de energia pode ser dada por:

∆𝐸 = 𝑄 −𝑊 ⇒𝑑𝐸

𝑑𝑡= 𝑄 −𝑊

Em palavras:

A TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORAL da energia contida em um sistema durante certo intervalo de tempo.

TAXA DE ENERGIA RECEBIDA pelo sistema por TRANSFERÊNCIA DE CALOR.

TAXA DE ENERGIA CEDIDA pelo sistema por REALIZAÇÃO DE TRABALHO.

64 Prof. Sardinha

65 Prof. Sardinha

Exemplo 2. 4,0 kg de certo gás em um conjunto cilindro-

pistão passa por uma expansão politrópica, dada por:

𝑝. 𝑉1,5 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 A pressão inicial é 3,0 bar, o volume inicial é 0,1 m3 e o final é 0,2 m3. A variação da energia interna específica é 𝑢2 − 𝑢1 = −4,6 𝑘𝐽

𝑘𝑔 .

Considerando que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis, determine o calor, em kJ.

66 Prof. Sardinha

Exemplo 3. Um gás em um conjunto cilindro-pistão vertical e

isolante, com um resistor elétrico em seu interior. A atmosfera exerce uma pressão de 1,0 bar no topo do pistão, que tem 45 kg e 0,09 m2. À medida que o resistor aquece o volume dos 0,27 kg de ar aumenta em 0,045 m3, enquanto sua pressão permanece constante e sua energia interna específica aumenta em 42 kJ/kg. Usando g = 9,81 m/s2, determine o calor entre o resistor e o gás, em kJ, para um sistema consistindo de:

a) Apenas o gás. b) O gás e o pistão.

67 Prof. Sardinha

Exemplo 4. Enquanto encontra-se em ponto morto, uma caixa de

marcha recebe 60 kW e transfere essa potência para o eixo de saída. Considerando-a como um sistema, a transferência de energia por convecção é:

𝑄 𝐶 = −ℎ. 𝐴. 𝑇𝑠 − 𝑇𝑓

Onde h = 0,171 kW/m2.K, A = 1,0 m2. é a área da superfície externa, cuja temperatura é 𝑇𝑠 = 300 𝐾.

Considerando que 𝑇𝑓 = 293 𝐾 é a temperatura do ar ao redor da caixa, calcule a taxa de transferência de energia e a potência fornecida, ambas em kW.

68 Prof. Sardinha

Ciclos Termodinâmicos Um ciclo termodinâmico é uma sequência de

processos termodinâmicos que começam e terminam no mesmo estado.

Incluem-se entre seus exemplos:

Ciclos de Potência – desenvolvem uma transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade, usando uma transferência de energia por calor de gases em combustão.

Ciclo de Potência A energias transferidas por

calor e trabalho são positivas na direção das setas.

WC é o trabalho realizado pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.

QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente de gases em combustão ou radiação solar.

QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, geralmente a atmosfera ou um lago.

70 Prof. Sardinha

Ciclo de Potência Aplicando o balanço de energia para ciclo de

operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝐸 − 𝑄𝑆

A performance (eficiência térmica) de um sistema que passa por um ciclo de potência é dada como a quantidade de calor recebida que é transformada em trabalho, ou seja:

𝜂 =𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂

𝑄𝐸

71 Prof. Sardinha

Exemplo 5. Um sistema é submetido a um ciclo de potência,

recebendo 1000 kJ por transferência de calor de gases de combustão, à temperatura de 500 K. O sistema descarrega 600 kJ na atmosfera a 300 K, por transferência de calor.

Considerando que os gases de combustão são a fonte quente e a atmosfera é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e a eficiência térmica , em kJ.

72 Prof. Sardinha

Ciclos de Refrigeração – promovem o resfriamento, de um volume refrigerado através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.

Ciclo de Refrigeração A energias transferidas por

WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.

QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo.

QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.

74 Prof. Sardinha

Ciclo de Refrigeração Aplicando o balanço de energia para ciclo de

operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝑆 − 𝑄𝐸

O coeficiente de performance do ciclo de refrigeração relaciona-se ao trabalho necessário pra retirar calor da fonte fria, ou seja:

𝜂 =𝑄𝐸

𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂

75 Prof. Sardinha

Ciclos de Bombas de Calor – promovem o aquecimento, de um ambiente através da transferência de energia por trabalho na forma de eletricidade.

Ciclo de Bomba de Calor A energias transferidas por

WC é o trabalho recebido pelo sistema, por ciclo, geralmente na forma de eletricidade.

QE é o calor recebido pelo sistema, por ciclo, de uma fonte fria, como um congelador, por exemplo.

QS é o calor cedido pelo sistema, por ciclo, para a vizinhança, como o exterior de uma geladeira.

77 Prof. Sardinha

Ciclo de Bomba de Calor Aplicando o balanço de energia para ciclo de

operação e considerando que a variação de energia é nula por ser um ciclo, tem-se que: ∆𝐸 = 𝑄𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 −𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 ⇒ 𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝑄𝑆 − 𝑄𝐸

O coeficiente de performance do ciclo de bomba de calor relaciona-se ao trabalho necessário pra fornecer calor à fonte quente, ou seja:

𝛾 =𝑄𝑆

𝑊𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂

78 Prof. Sardinha

Exemplo 6. Um sistema é submetido a um ciclo de bomba

de calor ao descarregar 900 kJ a um ambiente e recebendo 600 kJ do ar externo, a 5 °C, em ambos os casos por transferência de calor.

Considerando que o ambiente é a fonte quente e o ar externo é a fonte fria, determine o trabalho do ciclo e o coeficiente de performance, em kJ.

79 Prof. Sardinha

Outras Propriedades Importantes Fase – é uma porção de matéria que é homogênea,

tanto com relação à composição química, quanto com relação à estrutura física.

Uma porção de matéria homogênea com relação à sua estrutura física deve estar completamente em um único estado de agregação.

Substância pura – é uma substância uniforme e invariável em sua composição química.

Uma substância pura pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em todas as fases.

80 Prof. Sardinha

Princípio de Estado para Sistemas Compressíveis Simples

Sistemas compressíveis simples (SCS) – são sistemas formados de substâncias puras comuns.

O estado intensivo de um SCS em equilíbrio é descrito por suas propriedades intensivas, cujo número é determinado pelo princípio dos estados equivalentes.

No entanto, propriedades cujos valores dependem de escolhas de dados arbitrárias são irrelevantes para o princípio dos estados equivalentes.

81 Prof. Sardinha

Nem todas as propriedades intensivas relevantes são independentes:

Algumas relacionam-se por definições teóricas;

Outras se relacionam por expressões empíricas;

E outras podem ser independentes para uma única fase e tornarem-se independentes quando há mais fases presentes.

82 Prof. Sardinha

Princípio de Estado dos SCS – para um SCS, valores de quaisquer duas propriedades intensivas independentes determinam os valores de todas as outras propriedades intensivas.

Entre pares alternativos de propriedades alternativas independentes (T, v) e (p, v) são frequentemente convenientes. Mas, T e p não formam sempre um par independente.

83 Prof. Sardinha

Para SCS puros, a pressão pode ser

determinada como uma função da

temperatura e do volume específico: p = p(T, v)

O gráfico dessa relação para a água

está indicado ao lado.

Regiões de fase única incluem a

fase sólida, a fase líquida e o vapor.

Superfície p-v-T

Regiões de fase dupla, onde duas fases coexistem em

equilíbrio, estão localizadas entre regiões de fase

única.

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