atps 2013 1 eng producao 7 termodinamica

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS

Engenharia de Controle e Automação 7ª Série Termodinâmica A atividade prática supervisionada (ATPS) é um procedimento metodológico de

ensino-aprendizagem desenvolvido por meio de um conjunto de etapas

programadas e supervisionadas e que tem por objetivos:

� Favorecer a aprendizagem.

� Estimular a corresponsabilidade do aluno pelo aprendizado eficiente e eficaz.

� Promover o estudo, a convivência e o trabalho em grupo.

� Desenvolver os estudos independentes, sistemáticos e o autoaprendizado.

� Oferecer diferentes ambientes de aprendizagem.

� Auxiliar no desenvolvimento das competências requeridas pelas Diretrizes

Curriculares Nacionais dos Cursos de Graduação.

� Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas

práticos relativos à profissão.

� Direcionar o estudante para a busca do raciocínio crítico e a emancipação

intelectual.

Para atingir estes objetivos a ATPS propõe um desafio e indica os passos a

serem percorridos ao longo do semestre para a sua solução.

A sua participação nesta proposta é essencial para que adquira as

competências e habilidades requeridas na sua atuação profissional.

Aproveite esta oportunidade de estudar e aprender com desafios da vida

profissional.

AUTORIA:

Mauro Rodrigues Alves Nogueira

Faculdade Anhanguera de Campinas

Engenharia Mecânica – 7ªSérie do Curso – Termodinâmica Pág. 2 de 10


COMPETÊNCIAS E HABILIDADES Ao concluir as etapas propostas neste desafio, você terá desenvolvido as competências e habilidades que constam nas Diretrizes Curriculares Nacionais descritas a seguir.

� Aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais à Engenharia.

� Projetar e conduzir experimentos e interpretar resultados. � Conceber, projetar e analisar sistemas, produtos e processos. � Planejar, supervisionar, elaborar e coordenar projetos e serviços de Engenharia.

Produção Acadêmica Será produzido • Relatórios parciais, com os resultados das pesquisas realizadas nas Etapas 1 à 3. • Relatórios parciais, com os resultados das pesquisas realizadas nas Etapas 4 e 5.

Participação

Para a elaboração dessa atividade, os alunos deverão previamente organizar-se em equipes de 3 a 7 participantes e entregar seus nomes, RAs e e-mails ao professor da disciplina. Essas equipes serão mantidas durante todas as etapas.

Padronização O material escrito solicitado nesta atividade deve ser produzido de acordo com as

normas da ABNT1, com o seguinte padrão: • em papel branco, formato A4; • com margens esquerda e superior de 3cm, direita e inferior de 2cm; • fonte Times New Roman tamanho 12, cor preta; • espaçamento de 1,5 entre linhas; • se houver citações com mais de três linhas, devem ser em fonte tamanho 10, com um

recuo de 4cm da margem esquerda e espaçamento simples entre linhas; • com capa, contendo:

• nome de sua Unidade de Ensino, Curso e Disciplina; • nome e RA de cada participante; • título da atividade; • nome do professor da disciplina; • cidade e data da entrega, apresentação ou publicação.

DESAFIO

Os alunos serão divididos em grupos, com cinco componentes, sendo que cada equipe

deverá ser capaz de identificar, pesquisar, dimensionar, analisar e avaliar processos e dispositivos baseados nos princípios da termodinâmica. A equipe deverá elaborar um relatório, contendo resolução de cada experimento sugerido nas etapas.

1 Consulte o Manual para Elaboração de Trabalhos Acadêmicos. Unianhanguera. Disponível em:

<http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/bibliotecas/normas_bibliograficas/index.html>.



Objetivo do desafio

Este desafio é importante para que você adquira uma base conceitual sólida sobre máquinas térmicas e processos que envolvam termodinâmica.

ETAPA 1 (tempo para realização: 5 horas)

� Aula-tema: Substâncias puras e suas propriedades. Essa etapa é importante para que você estude as propriedade de termodinâmica,

aprendendo a identificar, representar e calcular os conceitos iniciais como pressão, volume e temperatura. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos.

PASSOS Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva aquela que depende do

tamanho (extensão) do sistema e/ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa etc.

Propriedade Intensiva - Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Pressão etc.

Propriedade Específica - Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida, dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade específica:

Volume específico , v, m

Vv =

Passo 1 (Equipe)

Calcular qual deve ser a pressão interna do globo. De acordo com a turbina construída por Hero, para efeito de curiosidade, era constituída por um globo, contendo água e, do qual, vapor fervente poderia escapar através de dois bocais, como mostrado na figura.

Máquina de Hero



Fogo colocado abaixo de um recipiente fervia a água e vapor escapava pelos tubos verticais, entrando no globo. Conforme o vapor era expelido pelos bocais, o globo era colocado em movimento giratório. Para que o globo gire é necessário uma força de 5N na extremidade de cada bocal, cada bocal tem o diâmetro de 0,5 cm.

Passo 2 (Equipe)

Comparar a pressão exercida pelo vapor d’água sobre o globo, encontrada no passo 1, e a pressão interna de um pneu de carro (30 PSI).

Passo 3 (Equipe)

Calcular qual a fração em volume ocupada pelo vapor d’água, sabendo que o vapor de água dentro do globo está com uma titulação de 0,1 e adotando o valor de pressão encontrado no 1º passo.

Passo 4 (Equipe)

Calcular a temperatura que o vapor atinge quando iniciamos o movimento do globo, de modo que o globo inicialmente tem vapor de água superaquecido a 90°C e os bocais se encontram vedados. Adote a pressão encontrada no 1° passo. (dica: trate o problema como uma transformação gasosa). Ao final dessa etapa, o grupo deverá apresentar relatório resumido ao professor da disciplina, contendo todos os passos dessa etapa em uma data previamente definida.


� Aula-tema: Substâncias puras e suas propriedades. Essa atividade é importante para poder analisar um dispositivo bem comum, a panela de

pressão. Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos.

PASSOS



A panela de pressão foi inventada pelo físico francês Denis Papin, que publicou em 1861 uma descrição do equipamento, denominando-o digestor. Numa reunião de cientistas da Royal Society, Papin demonstrou que o seu invento era capaz de reduzir ossos a gelatina comestível.

Sabemos que a água ferve normalmente a 100º C, ao nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer que seja o tempo que a água demore para ferver nessas condições, a temperatura continuará a mesma. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da água.

É possível a água alcançar temperaturas maiores do que 100ºC? É possível, contanto que a pressão seja maior que a pressão de uma atmosfera

(Patm=101kPa). É o que fazem as panelas de pressão. Como são recipientes fechados, conservam o calor e a pressão aumenta. Nessas panelas, em vez de ferver a 100º C, a água (e o vapor) atinge temperaturas mais altas, cerca de 120º C.

Na figura acima, você tem um esquema de uma panela de pressão: ela tem uma tampa, vedada com uma argola de borracha; no centro da tampa há uma válvula, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima, permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas, quando a válvula central estiver entupida e houver perigo de explosão.

O aumento da pressão faz com que a água no interior da panela entre em ebulição, a uma temperatura acima de 100º C. A pressão do vapor d’água, porém, aumenta até certo limite. Superado esse limite, ela se torna suficientemente elevada para que o vapor levante o pino da válvula central e comece a sair da panela. A partir desse momento, a pressão do vapor se estabiliza porque é controlada pelo escapamento do vapor através da válvula. Em consequência, a temperatura no interior da panela também não aumenta mais.

Passo 1 (Equipe)

Determinar a pressão e o volume específico dentro da panela quando á água entrar em ebulição a 120ºC, com auxílio de uma tabela de vapor d’água.

Passo 2 (Equipe)

Calcular as dimensões (altura, largura e densidade) do pino na válvula principal, sabendo que a panela padrão de 5 litros é projetada para ter uma saída de vapor pela válvula principal (diâmetro interno de 0,3 cm) quando atingir a pressão igual à pressão de água saturada a 120°C.



Passo 3 (Equipe)

A válvula de segurança tem que suportar uma força 25% maior que a força exercida sobre a válvula principal, superado esse valor ela se rompe deixando o vapor sair e, consequentemente, baixando a pressão interna na panela. Responder e justificar a resposta: 3.1 Caso a válvula central estiver obstruída qual a temperatura da água no interior da panela imediatamente antes da válvula de segurança romper? 3.2 Explicar o que aconteceria se a válvula principal e a válvula de segurança estivessem obstruídas. Imediatamente após a explosão teria água dentro da panela?

Passo 4 (Equipe)

Atualmente, esse recipiente é empregado não só nas tarefas domésticas, mas também, nos hospitais (sob a forma de autoclaves para esterilizar material cirúrgico). Para essa função é necessário que o vapor atinja 150ºC, projete uma autoclave simples com a finalidade de atender às exigências mínimas de temperatura. Calcular a pressão, dimensionar o volume interno da autoclave e a massa de água a ser utilizada no processo. Ao final dessa etapa, o grupo deverá apresentar relatório resumido ao professor da disciplina, contendo todos os passos dessa etapa em uma data previamente definida.


� Aula-tema: Substâncias puras e suas propriedades. Essa atividade é importante para que você aprenda sobre a utilização do modelo de gás

perfeito que é bastante útil nas análises termodinâmicas devido à sua simplicidade. Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos.

PASSOS Em certas condições, o comportamento real da substância corresponde ao modelo ideal.

TRmPV =

Vamos analisar apenas casos em que esse modelo é válido. Para realizá-la, devem ser

seguidos os passos descritos.

Passo 1 (Equipe)

Determinar a massa de propano contida no tanque, se um tanque apresenta volume interno de 1 m3 de propano a 20°C de temperatura e pressão de 101kPa.

Passo 2 (Equipe)

Uma esfera oca de metal, com diâmetro interno de 150 mm é pesada inicialmente vazia e pesada novamente quando carregada de um certo gás a 875 kPa. A diferença entre as leituras é de 0,0025kg. Admitindo que o gás é uma substancia pura e que o processo foi à temperatura constante de 25°C, determine qual é o gás contido na esfera. (dica: encontre a constante do gás)



Passo 3 (Equipe)

O conjunto cilindro-pistão, contém, inicialmente, 0,25 m3 de dióxido de carbono (CO2) a 300kPa e 100°C. Os pesos são, então, adicionados a uma velocidade tal que o gás é comprimido segundo a relação PV 1,42 = constante. Admitindo que a temperatura final seja igual a 125°C. Qual o volume final? Qual a titulação? Faça um diagrama de fase P-V e indique os pontos iniciais e finais nesse diagrama.

Passo 4 (Equipe)

Um tanque rígido com volume de 1m3 contém amônia a 100kPa e 300K e está conectado, através de uma tubulação com válvula, a outro tanque com volume de 0,5m3 que contém amônia a 250 KPa e 400K. A válvula é aberta e espera-se até que a pressão se torne uniforme. Sabendo que a temperatura final de equilíbrio é de 325K, determine a pressão final do processo.

Ao final dessa etapa, o grupo deverá apresentar relatório resumido ao professor da disciplina, contendo todos os passos dessa etapa em uma data previamente definida.


� Aula-tema: Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica. Essa atividade é importante para que você estude o funcionamento de máquinas térmicas

que a partir da expansão sofrida por um gás gere movimento, que possa ser aproveitado na realização de alguma tarefa.

Para realizá-la, é importante seguir os passos descritos.

PASSOS Um dos primeiros motores construídos com a finalidade de bombear água de uma mina de

carvão foi desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705 e usava, pela primeira vez, um conjunto cilindro-pistão. O vapor era produzido no aquecedor (a) e conduzido através da válvula manual (b) até o cilindro (c). O vapor iria empurrar o pistão até a posição mostrada, permitindo que a haste (d) descesse para dentro do reservatório de água (ou mina). A válvula (e) era então aberta para permitir um jato de água sobre o cilindro, capaz de condensar o vapor ali dentro, provocando o vácuo necessário. O pistão era então empurrado para baixo pela pressão atmosférica, levantando a haste e bombeando água para fora através da linha (f). A válvula (e) era fechada, a válvula (b) era aberta e o procedimento era repetido. A linha (g) era aberta intermitentemente para permitir que o vapor condensado pudesse ser retirado do cilindro.



Máquina de Newcomen

Em 1763, James Watt, notou a baixíssima eficiência da máquina de Newcomen e suspeitou

que grande parte do vapor quente poderia ser resfriado, condensado e ter seu volume bastante reduzido ao entrar no cilindro resfriado. Ele introduziu diversas inovações à máquina de Newcomen, entre elas o uso de um condensador externo (a). Na sua máquina, o vapor era aquecido em um boiler e era conduzido pela tubulação (b). A válvula (c), controlada a partir da haste (d), permitia o vapor entrar na parte superior do pistão (e). Isso empurrava o pistão para baixo e, através da barra (f), levantava as hastes (g) e (h) da bomba. Tal movimento retirava a água do reservatório (i) através da tubulação (j) e também do reservatório (k) para o reservatório (i). A válvula (l) era então movida para permitir o vapor entrar na base do pistão; assim equilibrado, o pistão movia-se para o topo, possibilitando um novo ciclo.

Máquina de James Watt

Passo 1 (Equipe)

Monte um diagrama T-ν para explicar cada processo analisado da máquina de James Watt.



Passo 2 (Equipe)

Utilizando o ciclo de Carnot, explique por que a máquina de James Watt tem um rendimento maior do que a máquina de Newcomen.

Passo 3 (Equipe)

Máquinas térmicas também podem ser utilizadas para resfriar uma determinada região, um exemplo é um congelador doméstico que opera em uma sala onde a temperatura é de 40ºC.

Para manter a temperatura interna com -10ºC é necessário uma taxa de transferência de 6kW. Qual a mínima potência necessária para operar o congelador? Um funcionário propôs que para resfriar a sala deixar a porta do congelador aberta. Ele está correto? Justifique sua resposta, baseando-se nas leis da termodinâmica.

Passo 4 (Equipe) O esquema a seguir mostra um ciclo termodinâmico, resolva os seguintes itens: 4.1 Indicar todas as propriedades termodinâmicas aplicáveis em cada ponto. 4.2 Montar um diagrama de fase, indicando onde se encontra cada ponto e suas transformações. 4.3 Encontrar qual o trabalho realizado e seu rendimento teórico e real. 4.4 Determinar se a máquina é viável, de acordo com a desigualdade de Classius.



1

4

3

2

5

Caldeira

Turbina

Condensador

1

Bomba

Dados: T1=400º C e P1 =2,0 MPa ; T2=250º C e P2 =1,8 MPa ; Titulo 80%, P3=15 kPa T4=45ºC , P4=15 kPa Trabalho na bomba= 4kJ/kg. Ao final dessa etapa, o grupo deverá apresentar relatório resumido ao professor da disciplina, contendo todos os passos dessa etapa em uma data previamente definida.

Livro Texto da disciplina: VAN WYLEN, Gordon J.; SONNTAG, Richard E.. Fundamentos da Termodinâmica Clássica : tradução da 4º edição. 1ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2004.

atps 2013 1 eng producao 7 termodinamica

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