cap. 2 – energia e primeira lei da termodinâmica
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Cap. 2 – Energia e Primeira Lei da Termodinâmica
2.1 – Conceitos mecânicos de energia
V
2.1.1 – Trabalho e energia cinética
s
F
dtdV
mFs dtds
dsdV.mFs V
dsdV.mFs
dsdV
V.mFs
mVdVdsFs mVdVdsF2
1s
2
1
mVdVdsF2
1s
2
1 212
2
V
V
22
1
VVm21
Vm21
mVdV2
1
EC = Variação de energia cinética (EC)
Trabalho da força Fssd.FdsF2
1s
2
1
2.1.2 – Energia potencial
R
gm
z
21
22 VVm
21
dzmgdzR2
1
2
1
)zz(mg 12 dzmg2
1
2.2 – Transferência de energia por trabalho
W = Trabalho da forçasd.FW2
1
S
S
F
Equação utilizada para determinar o trabalho :
realizado durante a expansão ou compressão de um gás
de deformação de uma barra sólida
de deformação de uma película líquida
....
Definição termodinâmica de trabalho :
Um sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças se o único efeito sobre tudo aquilo externo ao sistema
puder ser o levantamento de um peso.
Sistema A
Sistema B
Trabalho é um modo de transferir energia
2.2.1 – Convenção de sinais
W > 0 = Trabalho realizado pelo sistema
W < 0 = Trabalho realizado sobre sistema
Sistema A
Sistema B
W > 0 = Trabalho realizado pelo sistema B
W < 0 = Trabalho realizado sobre sistema A
sd.FW2
1
S
S
Trabalho não é uma propriedade do sistema !
12 WWW
2
1
WW Diferencial inexata
Potência:
dtWdtV.Fdtdtsd
.FW2
1
2
1
2
1
t
t
t
t
S
S
dtW
W
Diferencial inexata
2.2.2 – Trabalho de expansão ou compressão
gás
gás
F=pA
dxApW Diferencial inexata
dx
dVpW
2
1
dVpW
2
1
dVpW
p
V
p
V
Um processo (em quase-equilíbrio)
descrito pela expressão pVn = cte é
chamado de um
processo politrópico
2.2.3 – Exemplos de trabalho
a) Alongamento de uma barra sólida
dxAsd.FW2
1
2
1
S
S
S
S
b) Potência transmitida por um eixo
RR
V.FW
c) Potência eletrica
d) Trabalho devido a magnetização
2.3 – Energia de um sistema2.3.1 – Primeira Lei da Termodinâmica
O trabalho líquido realizado por ou sobre um sistema fechado submetido a um processo adiabático entre dois estados dados,
dependo somente dos estados inicial e final.
2.3.2 – Variação de energia
ad12 WEE (ad = processo adiabático)
E = energia total - propriedade
Energia total inclui : Energia cinética , Energia potencia e outras formas
2.3.3 – Energia interna
Quando se realiza trabalho para comprimir uma mola, armazena-se energia no interior da mola
Quando uma bateria é carrega (com energia elétrica) armazena-se energia eletroquímica na mesma.
Na termodinâmica aplicada à engenharia considera-se a variação de energia total de um sistema constituída de três contribuições macroscópicas:
Energia cinética , Energia potencial gravitacional e energia interna
UEPECEE 12
2.3.4 – Balanço de energia
1
2
ad12 WEE
WA
WB
A12 WEE
B12 WEE
WQEE 12
Princípio da conservação da energia
2.4 – Transferência de Energia por calor2.4.1 – Convenção de sinais
W > 0 = Trabalho realizado pelo sistema
W < 0 = Trabalho realizado sobre sistema
Q > 0 = Transferência de calor realizado para o sistema
Q < 0 = Transferência de calor realizado do sistema
Q > 0 W > 0
++
Q < 0 W < 0_ _Sistema
2
1
QQ Diferencial inexata
Transferência de calor não é uma propriedade do sistema !
Taxa de transferência de calor:
dtQQ2
1
t
t
dtQ
Q
(Potência térmica) [J/s] ou [W]
A
dAqQ q = fluxo de calor [W/m2]
2.5 – Balanço de energia para sistemas fechados
UEPECEE 12
WQEE 12
WQUEPEC
Outros formatos do balanço de energia:
WQdE diferencial
WQdtW
dtQ
dtdE
instantâneo
2.6 – Análise de energia para ciclos
2.6.1 – Balanço de energia
CicloCicloCiclo WQE
CicloCiclo WQ
Corpo Quente
Corpo Frio
SaiQ
EntraQ
SaiEntraCiclo QQW
Sistema
Ciclo de PotênciaCorpo Quente
Corpo Frio
SaiQ
EntraQ EntraSaiCiclo QQW
Sistema
Ciclo de Refrigeração e Bomba de calor
2.6.2 – Ciclos de potência
SaiEntraCiclo QQW
Corpo Quente
Corpo Frio
SaiQ
EntraQ
Sistema
Entra
Sai
Entra
SaiEntra
Entra
Ciclo
1Q
QQQW
Eficiência térmica :
2.6.3 – Ciclos de refrigeração e Bomba de calor
EntraSaiCiclo QQW Corpo Quente
Corpo Frio
SaiQ
EntraQ
Sistema
EntraSai
Entra
Ciclo
Entra
QQQ
WQ
Coeficiente de perfomance :
Ciclos de refrigeração:
EntraSai
Sai
Ciclo
Sai
QQQ
WQ
Coeficiente de perfomance :
Bomba de calor:
Segunda lista de exercícios
2.17 – 2.28 – 2.31 – 2.47 – 2.48 – 2.53 – 2.61 – 2.63