eer0013 - aula 1 - revisão de termodinâmica (parte 1)

8/17/2019 EER0013 - Aula 1 - Revisão de Termodinâmica (Parte 1)

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Universidade Federal da Integração Latino-Americana

Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura

Engenharia de Energia

Prof Fa!"o Lui# Pereira [email protected]

UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR

EER!" – #$%uina& T'r(i)a&

Aula ! – Re*i&+o de Ter(odin,(i)a -Pare !


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EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 24

Tó$icos da Aula

● %evisão de Termodin&mica ' Parte ()

●

Defnição.● Importância.

● Exemplos de sistemas.

● Grandezas e conversões.

●

Conceitos e defnições:● Sistemas.

● Sustância pura.

● !ropriedades.

●

"ases.● Estados.

● Classes de propriedades.

● Ciclos.

●

!ropriedades termodinâmicas:● #olume espec$fco.

● %assa espec$fca.

● Ener&ia interna.

●

Entalpia.● '$tulo.

● !ressão.

● Calor espec$fco.


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Termodin&mica

● Termodin&mica * +alor ovimento)● 'ermodinâmica ( a ci)ncia da ener&ia e da entropia* +ue trata:

●

Do calor e do traal,o.● Das propriedades das sustâncias relacionadas ao calor e ao traal,o.

● !apel vital em sistemas &eradores de pot)ncia:

● -nlise.

●

Desenvolvimento.● !ro/eto.

● -plicação dos conceitos termodinâmicos &arantem:

● -umento da efci)ncia.

●

-per0eiçoamento de pro/etos.● 1tenção de condições 2timas de operação.

● E+uipamentos e instalações onde se aplicam conceitos de termodinâmica:

● "amiliarização com os e+uipamentos.

●

Identifcar onde a termodinâmica se aplica.


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E.em$los de /istemas Termodin&micos

Diagrama esquemático de uma central termelétrica.




Representação de uma central termelétrica a vapor.



Diagrama de um sistema de propulsão nuclear naval.




Turbina a gás (motor a jato) tipo turbofan.




(a) squema simpli!cado de um foguete a combust"vel l"quido.

(b) #oto do motor principal de um foguete.




Diagrama de um motor ciclo Diesel em corte.




0rande#as F1sicas

● 0rande#as $rim2rias)● "ormam um &rupo a partir do

+ual todas as demais &randezaspodem ser 0ormadas.

● !ossuem unidades aritrrias.

● Exemplo Comprimento:→

●

Sistema internacional m.→● Sistema in&l)s 0t.→

● 0rande#as secund2rias)● São a+uelas +ue podem ser 0ormadas a partir da cominação de &randezas

primrias.● Suas unidades são expressas em termos das unidades das &randezas primrias.

● Exemplo "orça:→

0rande#a $rim2ria 3imensão$rim2ria

/istema internacional

Unidade /1m!olo

assa % 3uilo&rama 4&+om$rimento 5 %etro m

Tem$o t Se&undo s

Tem$eratura T 6elvin 6

+orrente el4trica I -mp7re -

5uantidade de mat4ria 8 %ol mol

Intensidade luminosa 9 Candela cd

6ngulo $lano ;adiano rad

6ngulo sólido Es0erorradiano sr

F =m .a → [ N ]=

[kg .

m

s

2

]

⏞

Símbolos no

Sistema Internacional

=

[ M .

L

t

2

]

⏞

Dimensão

primária

=[ M L t −2 ]



0rande#as F1sicas

● E.em$los de convers7es)● Converter < 4& para l:

● Converter => 0t para m:

● E.em$los de uso dos $re8.os)● "orça:

● 'empo:

Grandea Sistema

InternacionalSistema inglês

Conversão

Massa kg lb 1 lb = 0,4536 kg1 kg = 2,2046 lb

Comprimento m ft1 ft = 0,3048 m1 m = 3,2808 ft

Tempo s s -

Força N lbf1 lbf = 4,4482 N

1 N = 0,2248 lbf

$nidades nos sistemas internacional e ingl%s e fatores de conversão.

!a"#r Prefixo Símbolo

1012 tera T

109 giga G

106

mega M103 quil k

10-3 mili m

10-6 mi!r μ

10-9 "a" "

10-12 #i! #

&re!'os das unidades no sistema internacional.

m=6 kg

m=6 kg .2,2046 lb

kg

m=13,2276 lb

L=25 ft

L=25 ft .0,3048 m ft

L=7,62m

F =1000mN =1000.10−3 N =1 N

F =1 N =1.10−3. 10

3

⏟

k

N =10−3kN

t =0,003 Ms=0,003.106 s=3000 s

t =3000 s=3000.103.10

−3⏟m

s=3000000ms


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+onceitos e 3e8niç7es

● /istemas)

/istema Fechado /istema A!erto

9ome alternativo %assa de controle #olume de controle

Interface com vi#inhança "ronteira do sistema Super0$cie de controle

Tra!alho $ode cru#ar a interface: Sim Sim

+alor $ode cru#ar a interface: Sim Sim

assa $ode cru#ar a interface: 8ão Simassa $ode variar: 8ão Sim

'emplo de um sistema fecado.'emplo de um sistema aberto.


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● /u!st&ncia Pura)● ? a+uela +ue tem composição +u$mica invarivel e ,omo&)nea.

● !ode existir em mais de uma 0ase* mas sua composição ( sempre a mesma.

● Exemplos:

● @&ua l$+uida.

● %istura de &ua l$+uida com vapor.

● %istura de &ua l$+uida com &elo.

● Pro$riedades Termodin&micas)● 3ual+uer caracter$stica de um sistema ( denominada propriedade:

● !ropriedades 0amiliares:● Exemplos: !ressão* temperatura volume* massa* etc.

● !ropriedades menos 0amiliares:

● Exemplos: !ressão de vapor* ener&ia interna* entalpia* entropia* etc.


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● Fases de uma /u!st&ncia Pura)● Gasosa Aou vaporB.

●

5$+uida.● S2lida.

● Estados Termodin&micos)● Em cada 0ase* uma sustância pura pode existir a vrias pressões e

temperaturas* ou se/a* em vrios estados termodinâmicos.● !odem ser identifcados por propriedades macrosc2picas Atais como '* p e B.

● !ara um dado estado termodinâmico* as propriedades t)m sempre o mesmo

valor.

●

Processos Termodin&micos)● Sempre +ue o valor de +ual+uer propriedade termodinâmica de um sistema se

altera* ocorre uma mudança de estado termodinâmico.

● 3uando um sistema muda de estado* dizse +ue ele so0reu um processo

termodinâmico.


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● +iclos Termodin&micos)● 3uando um sistema passa por um certo nmero de processos termodinâmicos e

retorna ao estado inicial* dizse +ue o sistema so0reu um ciclo termodinâmico.

'emplo de um ciclo termodin*mico+ água numa central

termelétrica a vapor operando segundo um ciclo Ran,ine.


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Pro$riedades Termodin&micas

● +lasses de Pro$riedades Termodin&micas)● Intensivas Independem da massa.→

●

Exemplos: 'emperatura* pressão e massa espec$fca.

● E.tensivas #ariam diretamente com a massa.→● Exemplos: %assa* volume e entalpia total.

● Es$ec18cas São propriedades extensivas por unidade de massa ou por→

unidade de volume.

● Exemplos: %assa espec$fca* volume espec$fco e entalpia espec$fca.

ρ =m

V [ kg m3 ] ν =V

m [ m3

kg ] h [ kJ kg ]

T [ K ] p [ka ] ρ =m

V [ kg m3 ]

m [kg ] V [m3] ! [kJ ]

Todas as $ro$riedades es$ec18cas são intensivas, mas

nem todas as $ro$riedades intensivas são es$ec18cas


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● ;olume Es$ec18co e assa Es$ec18ca )● #olume espec$fco #olume por unidade de massa ocupado pela sustância:→

● %assa espec$fca %assa por unidade de volume apresentada pela sustância:→

●

#olume espec$fco e massa espec$fca são inversas:

● 1 volume espec$fco Aou a massa

espec$fcaB de um sistema em um campo

&ravitacional pode variar de um ponto

para o outro.

● Exemplo: aumenta e diminui com o

aumento da altitude.

ν =1

ρ e ρ =1

ν

ν =V

m [ m3

kg ]ρ=

m

V [ kg m3 ]

i d d di & i


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● Energia Interna)● Est relacionada F estrutura molecular e ao &rau de atividade molecular.

●

? a soma de todas as 0ormas microsc2picas de ener&ia.● Ener&ia interna total:

● Ener&ia interna espec$fca:

● Ental$ia)● ? uma propriedade termodinâmica otida a partir da cominação de outras

propriedades termodinâmicas.

●

? dada pela soma da ener&ia interna com a ener&ia de escoamento:● Entalpia total:

● Entalpia espec$fca: ! =" + p V [kJ ]

h=#+ p ν

[

kJ

kg

]

" =m # [kJ ]

#="

m

[ kJ

kg

]


P i d d T di & i


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● T1tulo )● ? a razão entre a massa de vapor e a massa total de uma sustância pura:

● 'em si&nifcado 0$sico apenas +uando a sustância est num estado saturado:

● tilizado para determinar o estado termodinâmico de uma sustância pura na

re&ião de saturação.

$=m %ap

m [ ]

T1tulo Estado termodin&micox H 5$+uido saturado

J x J K %istura de l$+uido com vapor saturado

x H K #apor saturado


P i d d T di & i


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● Pressão)● Defnese pressão como a

componente normal da 0orçapor unidade de rea.

● - pressão num ponto de um

Luido em e+uil$rio ( i&ual em

todas as direções.● Instrumentos para medição de pressão:

● MarNmetro %ede pressão asoluta Aem &eral a atmos0(ricaB.→

● %anNmetro %ede pressão manom(trica Adi0erença entre a pressão→

asoluta e a atmos0(ricaB.

● nidades:

● SI: !ascal K !a H K 8Om→ =

● Mar K ar H K→ > !a H K 4!a H *K %!a

● -tmos0era K atm H KK.P=> !a H KK*P=> 4!a→



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● @armetro)● MarNmetros medem a pressão atmos0(rica local.

●

1 arNmetro ( composto por um recipiente e umacoluna* amos contendo o mesmo Luido l$+uido*

como mostra a f&ura ao lado.

● - coluna ( enc,ida completamente com o l$+uido e (

então mer&ul,ada no recipiente* e assim o peso dol$+uido contido na coluna cria uma re&ião de vcuo

acima do ponto C.

● 8o arNmetro mostrado acima* temos +ue a pressão no ponto M ( i&ual:

●

Q pressão atmos0(rica.● Q soma da pressão da coluna l$+uida com a pressão no ponto C Aa +ual (

praticamente nula* pois acima de C , vcuoB.

● -ssim: patm= p & = pc +ρ g h → patm=ρ g h [ a ]




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● anmetro)● %anNmetros medem pressões manom(tricas.

● R vrios tipos de manNmetros* e na f&ura ao lado

( mostrado um manNmetro de coluna Luida* o +ual

consiste em um tuo em contendo um Luido

l$+uido A&ua* mercrio* lcool* entre outrosB.

● - pressão no ponto = ( uma pressão asoluta e ( i&ual:● Q pressão no ponto K Ado Luido confnadoB:

● Q soma das pressões atmos0(rica e da coluna l$+uida:

● -ssim:

● Como se defne pressão manom(trica como a di0erença entre a pressão

asoluta e a atmos0(rica* temos +ue:

pman= p gas− patm → pman=ρ g h [ a ]

p gas= patm+ρ g h → p gas− patm=ρ g h → Δ p=ρ g h

p2= p

1= p gas

p2= patm+ρ g h


+alor Es$ec18co


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23 / 24

+alor Es$ec18co

● +alor Es$ec18co)● Calor espec$fco* ou capacidade t(rmica espec$fca* ( defnido como a

+uantidade de calor necessria para elevar a temperatura de uma unidade demassa de uma sustância em um &rau.

● - partir da 0orma di0erencial da conservação da ener&ia Aver aula =B*

desprezando EC e E! e admitindo +ue o processo se/a +uaseesttico:

● - e+uação acima pode ser considerada para dois casos distintos:

● Calor espec$fco a volume constante Ase # H cte* p.d# H e T3 H dB:

● Calor espec$fco a pressão constante Ase p H cte* T3 H dUp.d#* mas dR H

dUp.d#* então T3 H dRB:

c% =

'#anti(a(e (e calor

("ni(a(e (e massa) .(Temperat#ra )=

1

m

(δ '

δ T

)%=

1

m

(∂"

∂T )% → c%=(

∂ #

∂ T )%

c p= '#anti(a(e (e calor

("ni(a(e (e massa) .(Temperat#ra)=

1

m (δ '

δ T ) p= 1

m (∂ ! ∂ T ) p → c p=(

∂ h∂T ) p

(" +( ( )* )+ ( ( ) )=δ '−δ + → δ '=(" +δ + δ '=(" + p (V

+alor Es$ec18co de /ólidos e L1Buidos


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24 / 24

+alor Es$ec18co de /ólidos e L1Buidos

● +alor Es$ec18co de /ólidos e L1Buidos)● !ara s2lidos e l$+uidos* o volume espec$fco ( muito pe+ueno e ( praticamente

constante* e assim:

● 5o&o:

● -ssim:

●

Se um s2lido ou l$+uido so0re um processo do estado K ao =:

● - e+uação acima não ( vlida para aixas temperaturas ou atrav(s de um &rande

intervalo de temperatura.

h=#+ p % → (h=(#+ p (% + % (p → (h≈(#

c %=

(

∂ #

∂ T )%

→ (#=c% (T

c p=( ∂ h∂T ) p → (h=c p (T } (h≈(# → c% (T ≈c p (T → c%≈c p=c

(h≈c (T

h2−h

1=c (T

2−T

1)

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