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Curso de Termodinâmica Aplicada
Curso de Termodinâmica Aplicada
Prof. Luís Mauro Moura Curso de Engenharia Mecânica - CEM Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR Telefone: (41) 3271-1341 e-mail: [email protected]
Engenheiro Mecânico formado pela UFSC em 1990 com mestrado em Ciências Térmicas também pela UFSC em 1993. Realizou doutorado No Institut de Sciences Appliquées de Lyon, INSA de Lyon - França na área de Ciências Térmicas e Energia, com obtenção em 1998.
Iniciou a carreira docente em 1999 na Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR) onde hoje é professor Titular. Trabalha com pesquisa na área de Ciências Térmicas e Aproveitamento de Energia, onde possui até o primeiro semestre de 2006, 13 orientações de mestrado e 11 orientações de iniciação científica. Orienta atualmente 3 alunos de doutorado e 4 alunos de mestrado.
Exerceu o cargo de Diretor do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR entre os anos de 2001 e 2006 e é atualmente o secretário da Regional Paraná da Associação Brasileira de Ciências Mecânicas. Pertence Conselho do Centro de Ciências e Tecnologia da PUCPR e Conselho Universitário da PUCPR.(CONSUN, CAMGRAD).
Professor do Programa de Formação em Motores e Combustíveis desde a primeira turma.
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Histórico
• Termodinâmica– THERME: Calor– DYNAMIS: Potência, força
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• Antoine-Laurent de Lavoisier (Paris, 26 de agosto de 1743 — Paris, 8 de maio de 1794) foi um químico francês, considerado o criador da Química moderna.
• Foi o primeiro cientista a enunciar o princípio da conservação da matéria. Além disso identificou e batizou o oxigênio.
• Os trabalhos de Lavoisier assinalam, no século XVIII, o início da Química moderna.• Escreveu um grande Tratado Elementar de Química, assumindo a inspeção nacional das
companhias de fabricação de pólvora e foi arrecadador de impostos, cargo pelo qual foi guilhotinado durante o período de Terror durante a Revolução Francesa.
• Além de químico, Lavoisier também foi um financista.• Afirmava nesta teoria que o calor era uma substância elástica, indestrutível e imponderável que os
materiais libertavam, aquecendo-os tendo origem no fogo. No entanto esta teoria nunca foi muito bem aceite, sendo contestada desde a sua apresentação.
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Benjamin Thompson (Conde de Rumford), Massachusetts (1753 - 1814)Foi aprendiz numa loja, professor a tempo parcial, ginasta e estudante de medicina, interessando em máquinas elétricas. Aos 18 anos casou-se com uma senhora viúva muito rica de 30 anos e decidiu tornar-se um cavalheiro militar e fazendeiro. Atuou como agente secreto a favor da Inglaterra e em 1776 prudente mudar-se para lá e retomando assim os seus interesses científicos. Em 1782, voltou para a América tendo cumprindo o seu papel como soldado na guerra que iria terminar no ano seguinte. Foi nomeado Sir por George III e indicado como Conselheiro do Governador da Bavária reformulando as condições do exército, estabelecendo serviços de assistência social para os pobres. Ganhou assim o título de “Conde de Rumford” e muito prestígio entre a sociedade. Permaneceu durante 14 anos, altura em que se mudou para Londres, em 1798. Mudou-se para Paris em 1805 e casou-se com Marie Lavoisier, viúva do seu famoso “rival” das suas teorias sobre o calor. No entanto, as freqüentes brigas e desentendimentos levam o casal ao divórcio. Morre a 1814 com 61 anos. “Quando dois corpos dotados de temperaturas diferentes são postos em contato, ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. Durante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro.Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A idéia de que o calor é uma substância não podia, contudo, resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a Benjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson trabalhava para o governo da Baviera, como supervisão na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de ferro. Durante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes, havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas idéias abstratas em física: o princípio da conservação. De fato, neste caso havia duas quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado.Após realizar uma série de experiências e tentar explicá-las a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa que " ... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências, era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil, se não realmente impossível, formar uma idéia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a menos que essa coisa seja movimento".”
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Um Experimento de Benjamin Thompson
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Joule e seu experimento
JOULE, James Prescott (1818 – 1889)
“A quantidade de calor necessária para elevar de 1°Fuma libra de água equivale ao trabalho mecânicocapaz de erguer 772 libras à altura de 1 pé [1cal=4,8 J]”
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A primeira locomotiva a vapor foi construída por Richard Trevithick e fez o seu primeiro percurso em 21 de Fevereiro de 1804.
Richard Trevithick (13 de Abril de 1771 - 22 de Abril de 1833) foi um inventor britânico nascido em Illogan, Cornwall.Trevithick foi um pioneiro cujas invenções eram avançadas demais para a sua época; além das locomotivas, construiu barcos a vapor, máquinas de debulhar e de dragar, no entanto nunca conseguiu investidores que o ajudassem a desenvolver as suas invenções.Em 1816, Trevithick mudou-se para o Peru para trabalhar como engenheiro nas minas e construir locomotivas que as servissem. Apesar do suceeso inicial, o começo da guerra civil em 1826 forçou-o a voltar a Inglaterra sem um tostão.Apesar do seu génio inventivo, Trevithick morreu na pobreza e na obscuridade e os seus inventos muito pouco reconhecidos.
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Termodinâmica e suas aplicações
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Refrigeração
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CondensadorCompressor
Tubos & Mangueiras
Condicionador de Ar Automotivo
Evaporador
“HVAC”Caixa de ar
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Bancada experimental
MOTOR ELETRICO
COMPRESSOR
EVAPORADOR
VENTILADOR
CONDENSADOR
VÁLVULA DEEXPANSÃO
FLUXÍMETRO
INVERSOR DEFREQÜÊNCIA
MANGUEIRADE SUCÇÃO
MANGUEIRADE DESCARGA
TUBOLÍQUIDO
TRANSDUTORDE PRESSÃO 1
(região de alta pressãoantes do compressor)
TRANSDUTORDE PRESSÃO 2
(região de alta pressãodepois do compressor)
TRANSDUTORDE PRESSÃO 3
(região de baixa pressão)
PRESSOSTATO
TERMOSTATOMECÂNICO
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Geração de Energia
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Sistemas de Vapor
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C
B
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I
II
III
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Cap. 1 - Conceitos introdutórios e definições
Sistema, Meio, Fronteira;
•Sistema fechado e Volume de controle
Volume de controle ou sistema abertoSistema fechadocom as válvulas fechadas
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Conceitos introdutórios e definições
Propriedade, Estado, Processo;
•Propriedades intensivas e propriedades extensivas;
•Densidade, pressão, temperatura, energia específica.
•Massa, volume, energia.
•Ciclo termodinâmico;
•Regime permanente ou estado estacionário;
Fase (comp. quím. e física hom.) e Substância pura (comp. Quím. hom.).•Água e gelo é substância pura?•Ar é substância pura?
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Equilíbrio
• Um estado de um sistema é um estado de equilíbrio se ele tende a permanecer depois que as interações entre o sistema e o meio são interrompidas (isolado).
EquilíbrioMecânico
EquilíbrioTérmico
EquilíbrioQuímico
Equilíbriode Fases
Equilíbrio Termodinâmico
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Processo de não-equilíbrio e processo de quase-equilíbrio
Processo de não-equilíbrio:
Processo de quase-equilíbrio:
300°C
300°C30°C
30°C300°C
30,000000...1°C
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Processo de não-equilíbrio
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• Densidade e volume específico: [kg/m3 - m3/kg]
• Pressão: [Pa, bar, lbf/in2,...]
• Equilíbrio térmico e temperatura:• [K, °C, R, °F]
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Lei Zero da Termodinâmica
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Temperatura Absoluta
curvas isobáricas de Charles (Jacques Charles, 1746- 1823)
Joseph-Louis Gay-Lussac “um gás teria um volume nulo (zero) se a temperatura for de -273,15 °C. Como qualquer volume menor do que isso é impensável, então pode-se concluir que esta temperatura é a menor possível de ser atingida. Esta temperatura é chamada de zero absoluto. A escala absoluta da temperatura foi desenvolvida (mais tarde) por Lord Kelvin e é conhecida, hoje, como Escala Kelvin. Nesta escala, -273,15 °C corresponde a 0 K. A temperatura de fusão do gelo, então, é de +273,15 K, e a de ebulição da água é de +373,15 K. A conversão entre as escalas pode ser feita conforme a expressão abaixo:T(K) = T(°C) - 273,15
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Leis Principais da Termodinâmica
• A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura.
• Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante".
• A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo".
• A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.
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Cap. 2 – Energia e a Primeira Lei
A etimologia da palavra tem origem no idioma grego, onde εργοs (ergos) significa "trabalho". A rigor é um conceito primordial, aceito pela Física sem definição, se refere "ao potencial inato para executar trabalho ou realizar uma ação"
Formas de energia – pode ser armazenada, transferida ou convertida. A quantidade total é conservada (Princípio da Conservação da Energia).
Unidade: joule [J]=[N.m]=[kg.m2/s2]
- Energia cinética
- Energia potencial (ou gravitacional)
- Energia química, ....
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Princípio da Conservação da Energia
Joule: “Não perderei tempo repetindo e estendendo essas experiências, pois estou seguro de que os grandes agentes danatureza são indestrutíveis, pelo fiat do Criador; e que quando se gasta poder mecânico, obtém-se sempre um calor exatamente equivalente.”
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Calor
• Energia em transito devido unicamente à diferença de temperatura e que não está associado à transferência de massa
• Processo adiabático
• Taxa de transferência de calor
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1 21 JQQ
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1 21 QQ
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Primeira Lei
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Cap. 3 Propriedades Termodinâmicas
• Propriedades de substâncias puras
Substância impura
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A Superfície p-v-T
Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica
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Projeções da Superfície p-v-T
Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica
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Projeções da Superfície p-v-T
Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica
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Mudança de fase
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P-v
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A propriedade “título”
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Gás ideal
• Lei de Boyle processo isotérmico (T=cte)
• Lei de Charles
processo isocórico (V=cte)
• 2° Lei de Charles
processo isobárico (p=cte)
• Faixa de Validade
RTPv
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Fator de compressibilidade
crr
crr
crr
v
vv
T
TT
p
pp
Faixa de validade
Tr>2.0Pr<0.1 ou 0.01
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O Diagrama Generalizado de Compressibilidade
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Outras propriedades
• Entalpia
• • Entalpia específica
• Calores específicos, cv e cp
pVUH
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vv T
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vv T
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pp T
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Gás ideal
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cp para gases ideais
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A Segunda Lei da Termodinâmica
Pode qualquer processo acontecer?
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Pode qualquer processo acontecer?
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Pode qualquer processo acontecer?
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Usos da Segunda Lei
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Enunciado de Clausius
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Enunciado de Kelvin - Planck
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Os corolários de Carnot
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O corolário de Clausius
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Equação de balanço de entropia para sistema fechados
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Equações de balanço de entropia
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A escala Kelvin de temperatura