ERG-009 - FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA E ?· Van Wylen: “A Termodinâmica é a ciência da energia…

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ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ERG-009 - FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA E CICLOS DE POTNCIA Aula 1 Professor Jos R. Simes-Moreira, Ph.D. e-mail: jrsimoes@usp.br ESPECIALIZAO EM ENERGIAS RENOVVEIS, GERAO DISTRIBUDA E EFICINCIA ENERGTICA ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Prof. Jos R. Simes Moreira Biografia Graduado em Engenharia Mecnica pela Escola Politcnica da USP (1983), Mestrado em Engenharia Mecnica pela mesma instituio (1989), Doutorado em Engenharia Mecnica - Rensselaer Polytechnic Institute (1994) e Ps-Doutorado em Engenharia Mecnica na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (1999). Atualmente Professor Associado da Escola Politcnica da USP. Foi secretrio de comit tcnico da Associao Brasileira de Cincias e Engenharia Mecnica, Avaliador in loco do Ministrio da Educao. Tem experincia na rea de Engenharia Mecnica, com nfase em Engenharia Trmica, atuando principalmente nos seguintes temas: mudana de fase lquido-vapor, uso e processamento de gs natural, refrigerao por absoro, tubos de vrtices, energia solar concentrada e sistemas alternativos de energia. Coordenou vrios cursos de extenso e atualmente coordenada o curso de especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica da USP. Tem sido professor de cursos de extenso universitria para profissionais da rea de termeltricas, energia , vlvulas e tubulaes industriais. Tem participado de projetos de pesquisa de agncias governamentais e empresas, destacando: Fapesp, Finep, Cnpq, Eletropaulo, Ultragaz, Ipiranga, Comgas e Petrobras. Foi professor visitante no INSA - Institut National des Sciences Appliques em Lyon (Frana) em junho e julho de 2009. Tem desenvolvido projetos de cunho tecnolgico com apoio da indstria (Comgas, Ultragaz, Petrobras e Vale). autor de mais de 100 artigos tcnico-cientficos, alm de ser autor de um livro intitulado Fundamentos e Aplicaes da Psicrometria e editor e autor do livro Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica da LTC. Finalmente, coordena o laboratrio e grupo de pesquisa da EPUSP de nome SISEA - Lab. de Sistemas Energticos Alternativos (www.usp.br/sisea). ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS, GERAO DISTRIBUDA E EFICINCIA ENERGTICA ESTRUTURA DO CURSO (2 anos) rea disciplina FUNDAMENTOS 1) Fundamentos de termodinmica e ciclos de potncia 2) Mquinas eltricas, redes inteligentes e gerao distribuda INVESTIMENTO, LEGISLAO E MEIO AMBIENTE 3) Anlise de viabilidade econmica de projetos de energia 4) Aspectos ambientais e instalaes de projetos de energia 5) Regulao da gerao distribuda TECNOLOGIA E EFICINCIA ENERGTICA 6) Cogerao 7) Eficincia energtica nas organizaes e empreendimentos AS RENOVVEIS 8) Energia elica 9) Energia solar I 10) Energia solar II 11) Uso de biomassa, biodigestores e biogs 12) Pequenas centrais hidreltricas MONOGRAFIA Trabalho de concluso do curso com defesa diante de banca ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br evoluo do uso de fontes primrias de energia em nvel mundial (EJ = exajoule = 1018) ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br evoluo do uso de fontes primrias de energia em nvel mundial x crescimento populacional (EJ = exajoule = 1018) ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS participao em nvel mundial na produo de energia eltrica ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS produo de energia eltrica - potncia de empreendimentos em operao - Brasil Potncia (%) O Brasil possui no total 4.690 empreendimentos em operao, totalizando 153.413.918 kW de potncia instalada. Est prevista para os prximos anos uma adio de 24.000.468 kW na capacidade de gerao do Pas, proveniente dos 258 empreendimentos atualmente em construo e mais 539 em Empreendimentos com Construo no iniciada. (BIG ANEEL 2017) CGH Central Geradora Hidreltrica (< 1 MW) EOL Central Geradora Elica PCH Pequena Central Hidreltrica UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica UHE Usina Hidreltrica UTE Usina Termeltrica UTN Usina Termonuclear ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS crescimento mundial (1) Energia Solar Trmica Coletores Planos ERG-006 Energia Solar I e ERG-007 Energia Solar II ren21.net ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS (1) Energia Solar Trmica Coletores Concentradores ERG-006 Energia Solar I e ERG-007 Energia Solar II Califrnia, EUA ren21.net ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS (2) Energia Solar Fotovoltaica ERG-007 Energia Solar II Mineiro Lapa, BA, 158 MW ren21.net Ribeira do Piau, PI, 292 MW ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS (3) Energia Elica ERG-005 Energia Elica Cear ren21.net Em 2017, o Brasil assumiu a 8 posio mundial em capacidade instalada de energia elica, com 12, 8 GW (compare com Itaipu = 14 GW 15% da consumo brasileiro e 86% do paraguaio) ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS (4) Biocombustveis Renovveis Etanol Biodiesel Biodigestores e Biogs dejetos animais aterros sanitrios Gaseificao e Pirlise de Biomassa alga bagao de cana ERG-012 Uso de Biomassa, Biodigestores e Biogs ren21.net ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS (PCHs) (5) Energia Hidreltrica PCHs Uma PCH uma usina hidreltrica com capacidade entre 1 MW e 30 MW ERG-015 Pequenas Centrais Hidreltricas Santa Catarina hsbrservicos.com.br olharabertopr.blogspot.com ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ENERGIAS RENOVVEIS - outras (6) Energia Maremotriz (7) Energia elica com pipas ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ERG-009 - FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA E CICLOS DE POTNCIA Programa Resumido Conceitos fundamentais, trabalho e calor. Propriedades termodinmicas e diagramas termodinmicos. Lei de conservao de massa e Primeira lei da termodinmica. Entropia e segunda lei da termodinmica. Ciclo trmico de Carnot exerccios. Combusto e combustveis. Ciclo de Rankine teoria e componentes. Ciclo Brayton. teoria e componentes. Ciclo Diesel e Otto teoria e tipos. Ciclo combinado teoria. Exemplos. Bibliografia Resumida engel, Y. A. e Boles, M. A., Termodinmica, 5a Ed. McGraw-Hill, Inc., 2006. Kehlhofer, R.H., Warner, J., Nielsen, H. e Bachmann, R., Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Powe Plant, 2a edio, PennWell Publishing Company, Oklahoma, EUA, 1999. Moran M.J. e Shapiro H.N., Princpios de Termodinmica para Engenharia, 4a ed. LTC Editora, 2002. Simes-Moreira, J. R. Notas de aula do curso. Simes-Moreira, J. R. (editor), Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica, LTC , RJ (2017) Livro-texto Sonntag, R.E., Borgnakke, C., Van Wylen, G.J. Fundamentos da Termodinmica, 6, Edgar Blucher, SP, 2003 ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br MOTIVAO PARA O ESTUDO DA TERMODINMICA Estudo dos processos de transformao da energia que ocorrem em mquinas e equipamentos para produo de energias mecnica ou trmica til. A energia mecnica til, em muitas vezes, transformada em energia eltrica por meio de geradores eltricos. (1) Central Termeltrica produo de energia eltrica (combusto/calor energia trmica energia mecnica energia eltrica) Turbinas a Vapor/Motor a Vapor Turbinas a Gs Motores de Combusto Interna (2) Outras formas de produo de energia eltrica Clula de Combustvel (energia qumica energia eltrica) Converso Direta painis fotovoltaicos (energia solar energia eltrica) (3) Produo de trabalho mecnico til (acionamento direto de outras mquinas) Motor de Combusto Interna Turbinas a Vapor e Gs Motor a vapor ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br MOTIVAO PARA O ESTUDO DA TERMODINMICA (cont...) (4) Refrigerao e ar condicionado (processos de produo de frio) Ciclo de Compresso a Vapor (os que operam nas geladeiras) Ciclo de Absoro de Calor (transformam calor em frio diretamente) Refrigerao Termeltrica (efeitos termeltricos: eletricidadefrio) (5) Manipulao do ar e outros gases (processos de separao e armazenamento dos gases) Usinas de Separao de N2, O2 e outros gases lquidos Criogenia (6) Processos de Combusto Mquinas e Dispositivos de combusto Teoria da Combusto (7) Estudos ambientais Poluio Trmica Poluio Atmosfrica Uso Eficiente da Energia ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ALGUMAS DEFINIES E OBSERVAES DA TERMODINMICA . Definio Clssica: Termodinmica a cincia que lida com Calor e Trabalho e suas inter-relaes Callen: Termodinmica o estudo dos resultados macroscpicos de mirades de coordenadas atmicas que, em virtude de mdias estatsticas, no aparecem explicitamente na descrio macroscpica do sistema Kestin: A cincia da Termodinmica um ramo da Fsica. Ela descreve os processos naturais nos quais as mudanas de temperatura desempenham um papel importante. Tais processos envolvem a transformao de uma forma de energia em outra. Consequentemente, a Termodinmica lida com as leis que governam tais transformaes de energia Van Wylen: A Termodinmica a cincia da energia e da entropia Observaes de A. Einstein sobre a Termodinmica Clssica: Uma teoria tanto mais impressionante quanto maior for a simplicidade das suas premissas, quanto maior o nmero de coisas que ela relaciona e quanto maior for a amplitude da sua rea de aplicao. Portanto, esta a profunda impresso que a Termodinmica Clssica realizou em mim. a nica teoria fsica de contedo universal que, assim estou convencido, nunca ser derrubada dentro da rea de aplicao dos seus conceitos bsicos ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br ALGUMAS DATAS, EVENTOS E CIENTISTAS RELEVANTES (fonte: Huang F. Engineering Thermodynamics) Data Evento 1798 Conde Rumford (Benjamin Thompson) deu incio soluo da polmica da converso de trabalho em calor por meio do seu experimento de usinagem de canhes 1799 Sir Humphry Davy estudou a converso de trabalho em calor por meio de experimentos de esfregar gelo. 1824 Sadi Carnot publicou seu grande trabalho Reflexes sobre o Poder Motriz do Fogo que incluiu os novos conceitos de ciclo e o princpio de que uma mquina trmica reversvel operando entre dois reservatrios de calor depende apenas das temperaturas desses reservatrios e no depende da substncia de trabalho 1842 Mayer postulou o princpio de conservao de energia 1847 Helmholtz formulou o princpio de conservao de energia de forma independente de Mayer 1843 1848 James Prescott Joule estabeleceu o fundamento experimental da primeira Lei da Termodinmica (lei de conservao de energia) ao conduzir experimentos para demonstrar a equivalncia entre calor e trabalho. 1848 Lord Kelvin (William Thomson) definiu uma escala de temperatura absoluta baseada no ciclo de Carnot 1850 Rudolf J. Clausius foi provavelmente quem primeiro percebeu que h dois princpios bsicos: a primeira e a segunda Leis da Termodinmica. Ele tambm introduziu o conceito de energia interna 1865 Clausius estabeleceu os princpios da primeira e segunda Leis da Termodinmica em duas linhas: 1.A energia do universo constante 2.A entropia do universo tende em direo um valor mximo 1875 Josiah Willard Gibbs publicou seu trabalho monumental Sobre o Equilbrio de Substncias Heterogneas, o qual generalizou a Termodinmica para aplic-la sistemas heterogneos e reaes qumicas. O seu trabalho incluiu o importante conceito de potencial qumico. 1897 Max Planck estabeleceu a segunda Lei da Termodinmica da seguinte forma: impossvel construir uma mquina que, trabalhando em um ciclo completo, no vai produzir outro efeito do que o do levantamento de um peso e sofre o resfriamento de um reservatrio de calor 1909 Caratheodory publicou sua estrutura da Termodinmica em base axiomtica de forma completamente matemtica. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br A Termodinmica uma cincia experimental. baseada em leis fundamentais: Lei zero igualdade de temperaturas 1a Lei ou Lei da Conservao da Energia - Energia total de um sistema se conserva 2a Lei Direes em que processos podem ocorrer e limites de converso de formas de energia ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Ferramental da Termodinmica Exemplo do Motor de Combusto Interna Um motor de combusto interna um equipamento mecnico muito complexo, formado por diversos componentes que operam prximo condies crticas. A operao de um MCI envolve sincronismo mecnico-eltrico, lubrificao de partes do motor, controle de combusto, proteo de materiais de zonas quentes. Enfim, trata-se de um sistema mecnico bastante complexo. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br 1a. Lei da Termodinmica: ENERGIA SE CONSERVA ECOMB fluxo de energia no combustvel EAR fluxo de energia no ar EPC fluxo de energia que sai com os produtos de combusto QPERDIDO fluxo de calor perdido (radiao e conveo) WEIXO Potncia de eixo WEIXO+ QPERDIDO + EPC = ECOMB + EAR ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br 2a. Lei da Termodinmica: H LIMITES DE CONVERSO DE CALOR EM TRABALHO EM CICLOS ECOMB fluxo de energia no combustvel EAR fluxo de energia no ar EPC fluxo de energia que sai com os produtos de combusto QPERDIDO fluxo de calor perdido (radiao e conveo + gua de arrefecimento) WEIXO Potncia de eixo 1COMBEIXO EWNo possvel transformar todo calor em trabalho mecnico em ciclos termodinmicos! ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Exemplo de uma Turbina a Gs ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Componentes bsicos de uma central termeltrica a turbina a gs Gerador eltrico Turbina a gas energia eltrica compressor cmara de combusto entrada de ar sada dos produtos de combusto entrada de Combustvel MS-7000 GE ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Componentes bsicos de uma termeltrica de ciclo Rankine a combustvel slido 1,2,3 Alimentador de combustvel slido 4. Gerador de vapor 5. Cinzeiro 6. Economizador 7. Filtro eletrosttico 8. Chamin 9. Turbina a vapor 10.Condensador 11.Transformador 12.Torre de resfriamento 13.Gerador eltrico 14. Linhas de transmisso Volume de controle em torno da turbina a vapor Volume de controle em torno da torre de resfriamento Volume de controle em torno do gerador de vapor ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Temperatura e Escalas de Temperatura Conceito primitivo do seu significado baseado nas noes elementares de quente e frio podem auxiliar no entendimento da temperatura. A quantificao da temperatura realizada com o emprego de escalas de temperaturas, sendo que as escalas utilizadas com maior frequncia so a escala Fahrenheit, F, e a Celsius, C. Os fatores de converso de uma escala para outra so: 32F95C 32+C59F As duas escalas acima definidas so relativas, pois dependem de valores do estabelecimento de temperaturas de referncia, tais como o ponto triplo da gua. tambm possvel que se defina uma escala absoluta de temperatura, para o qual existe um zero absoluto. A escala absoluta de temperatura associada com a escala Fahrenheit a Rankine, enquanto que a escala absoluta associada com a Celsius a Kelvin. Os fatores de converso so: 69,459F R 15,273C K Note que na escala Kelvin o smbolo de grau dispensado. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Temperatura e Escalas de Temperatura - exemplo Transforme 5 oC em K, oF e oR. Soluo: Usando as expresses anteriores, temos: F41 32+559 oTR69,50069,459415 TK 278,15 15,2735 TERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Presso Presso a componente normal da fora por unidade de rea que age em um fluido em repouso e igual em todas as direes em torno de um ponto do meio fluido. A presso pode ser presso absoluta ou presso relativa. Os adjetivos absoluta e relativa ou manomtrica dependem do instrumento que foi utilizado para realizar a medio. Estes instrumentos esto indicados entre parnteses no esquema ao lado. Presso AbsolutaPresso cimada atmosferaPresso atmosfricaPresso abaixo da atmosfricaVcuoPresso absoluta(Manmetro de vcuo)(vacumetro)(Manmetro)(Barmetro)acima ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Presso Uma atmosfera padro vale 760 mmHg e em outras unidades ela vale: 1 atmosfera padro = 760 mmHg (milmetros de coluna de mercrio a 0 C), = 29,92 inHg (polegadas de coluna de mercrio a 0 C), = 1,01325 105 N/m2 (newton por metro quadrado), = 101,325 kPa (quilopascal), = 1,01325 bar (bar), = 14,696 lbf/in2 ou psi (libra-fora por polegada quadrada), = 760 Torr (Torricelli). No sistema internacional 1 bar vale 105 N/m2, sendo que a unidade N/m2 recebe o nome de pascal ou, abreviadamente, Pa. Nesse curso, ser usado preferencialmente um mltiplo da unidade pascal, qual seja o quilopascal, ou, kPa (103 N/m2 = 1 kPa). Alternativamente, a unidade bar tambm poder estar presente. A vantagem de se utilizar a unidade bar que 1 bar vale aproximadamente 1 atmosfera padro. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Qual seria a presso registrada por um barmetro com unidade inglesa (em psia) em So Paulo, sendo que a presso baromtrica registrada foi de 700 mmHg? Soluo: Regra de trs: Mercrio, Hg Presso baromtrica vcuo Patm psiaPpsiaPmmHgpsiammHgxx 536,13696,14760700 700 14,696 760Nota: psia significa presso absoluta (psiabsolute) e psig significa presso manomtrica (psigauge) ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Determine a presso absoluta em psia e em kPa de um gs que est em uma tubulao que possui um manmetro instalado, cuja indicao de 10 psig de presso manomtrica. Use 700 mmHg como a presso baromtrica de So Paulo (Patm). Soluo: J foi visto que Patm = 700 mmHg equivale 13,536 psia. Assim, Regra de trs p/ transformar Unidades: psiaPPPPabsatmmanabs 536,23536,1310 Presso manomtrica kPaPkPaPpsiakPapsiaabsabs274,162325,101696,14536,23 3,5362 01,3251 14,696 ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Presso medio por coluna de lquido Para pequenas variaes de presso, o manmetro de coluna de lquido pode ser usado com certa facilidade. Aplicaes comuns ocorrem em dutos de ventilao e um conjunto formado mangueiras de plstico transparente ou tubos de vidro, juntamente com uma escala graduada em mm, pode ser empregada para medir a diferena de presso entre dois pontos do sistema. ghPPP ABERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Volume Especfico e Densidade O volume especfico a razo entre o volume, V, ocupado por uma dada substncia e a sua massa, m. A densidade o inverso do volume especfico. s vezes o que este texto chama de densidade, em outros lugares conhecido por massa especfica. Entretanto, face grande difuso e uso corrente do termo densidade, o mesmo ser adotado preferencialmente. Os smbolos gregos v e sero usados para designarem o volume especfico e a densidade, na ordem. No sistema internacional, a unidade do volume especfico m3/kg, e a unidade da densidade o seu recproco. Resultando em: .1mVv kgmVv /m 1 3ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br A densidade (ou massa especfica) da gua vale aproximadamente 1000 kg/m3 nas condies ambientes. Determine seu volume especfico. Soluo: A densidade de um gs vale 1,2 kg/m3. Determine seu volume especfico. Soluo: Volume Especfico e Densidade kgmmkg / 001,0100011/ 1000 33 kgmmkg / 833,02,111/ 2,1 33 ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Diagrama Termodinmico As substncias puras, como a gua isenta de gases e sais minerais, tem um comportamento termodinmico bastante previsvel e caracterstico. As substncias puras podem existir e coexistir nas fases slida, lquida e vapor isoladamente ou em suas combinaes, tais como mistura lquido-vapor, mistura slido-liquido (copo de gua pura com gelo, por exemplo), ou slido-vapor. As propriedades presso, temperatura e volume especfico tm seus valores inter-relacionados para cada substncia, o que permite a construo de tabelas e diagramas, como ser visto. Esse chamado princpio de estado termodinmico. Uma projeo da regio de equilbrio entre as fases lquida e vapor est ilustrada no diagrama Temperatura-volume especfico na figura seguinte. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br TemperturaVolume12 34Presso constantePonto crticoMisturaLquido-vaporCurva de saturaoLquidoVaporL L+VV1-2 2-33-4Diagrama Termodinmico temperatura volume especfico ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Mudana de Fase - diagrama temperatura volume especfico Fase lquida (lquido comprimido) regio esquerda da curva de saturao (1) Fase vapor (vapor superaquecido) regio direita da curva de saturao (4) Os dois ramos da curva de saturao se encontram em um ponto singular chamado de ponto crtico, a partir do qual no se faz mais distino entre as fases. Regio interna regio bifsica (ou regio de saturao) onde as fases lquidas e vapor coexistem em equilbrio trmico, mecnico e qumico. (lquido saturado 2 e vapor saturado 3) ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Diagrama Termodinmico temperatura volume especfico A linha (1, 2, 3 e 4) tambm uma linha de presso constante (isobrica). Uma linha horizontal neste diagrama representa um processo de temperatura constante (isotrmica) Uma linha vertical, processo de volume constante (isocrica). Existe uma relao funcional entre a presso e a temperatura que recebe o nome de curva de presso de vapor, que pode ser fornecida nas formas grfica, analtica e tabelada. isotrmica Isocrica ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Mudana de fase lquido-vapor Se a uma quantia de gua, inicialmente na fase lquida e estado 1 (lquido comprimido), for fornecido calor e mantida a presso constante, a massa do lquido vai se aquecer at que o estado 2 (lquido saturado) seja atingido. Ilustrado pelo arranjo cilindro-mbolo 1 2. Na medida em que o fornecimento de calor continuar, o processo de vaporizao se iniciar. A temperatura da gua ir parar de aumentar e estacionar em um valor que depender da presso imposta, at que todo o lquido contido seja evaporado. Ilustrado pelo arranjo cilindro-mbolo 2 3. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Mudana de fase lquido-vapor Quando toda a massa de lquido evaporar, o estado 3 ser atingido, sendo chamado de vapor saturado. E qualquer aplicao futura de calor implicar em um aquecimento de vapor e, por isso, o estado 4 chamado de vapor superaquecido. Ilustrado pelo arranjo cilindro-mbulo 3 4. Note que o processo demonstrado pela linha 1 4 isobrico. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br P v linhas isotrmicas T v linhas isobricas Modelo tridimensionall Vapor Superaquecido Ponto Crtico Lquido comprimido regio bifsica P T v Diagramas e modelo 3D ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br No processo de vaporizao do exemplo anterior (2 3) a temperatura permaneceu inalterada, e seu valor dependia da presso. A relao funcional entre temperatura e vapor recebe o nome de curva de presso de vapor ou curva de saturao. Essa relao geralmente fornecida na forma grfica, analtica ou de tabela. O grfico ao lado indica essa curva para a gua. Tabelas de vapor indicam a curva de presso de vapor para a gua para misturas lquido-vapor, tendo como dado de entrada a temperatura ou presso. Mudana de fase lquido-vapor Presso (atm) Temperatura (oC) 1 atm 100 oC 2 atm T=??? Curva de presso de vapor ou de saturao Presso (atm) Temperatura (oC) 1 100 2 ~120 Tabela de saturao ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Tabela de Saturao do vapor de gua ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Usando as tabelas de vapor, determine os estados (lquido, slido, vapor ou mistura lquido-vapor) da gua para as seguintes condies: (a) T = 25C e P = 101,325 kPa (presso normal), (b) T = 120C e P = 101,325 kPa, (c) T = 5C e P = 0,8721 kPa Soluo: (a) Das tabelas para T = 25C obtm-se Psat = 3,169 kPa. Como P = 101,325 kPa > Psat estado lquido (comprimido); (b) Das tabelas para T = 120C obtm-se Psat = 198,53 kPa. Como P = 101,325 kPa < Psat estado vapor (superaquecido); (c) Das tabelas para T = 5C obtm-se Psat = 0,8721 kPa. estado saturao lquido-vapor. Exemplo ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Ttulo e volume especfico na regio de mudana de fase Quando uma substncia est na regio de mudana de fase, define-se o ttulo x como sendo a razo entre a massa de vapor presente e a massa total da substncia. Isto : Tvmmx Propriedades mdias como o volume especficoda mistura lquido-vapor saturada so obtidas a partir do ttulo. Isto : LV vxxvv )1( onde, os ndices L e V indicam lquido saturado e vapor saturado, respectivamente. So dados obtidos das tabelas de vapor saturadas. Na terminologia inglesa o ttulo chamado de vapor quality. ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Exemplo de uso do ttulo e volume especfico Sabendo que o ttulo 10% para o sistema de mistura lquido-vapor de gua esquematizado ao lado, cuja temperatura medida vale 130 oC, pede-se: (a)Qual a presso absoluta do sistema que indicada pelo instrumento (supondo que indique Pabs); (b)O volume especfico somente da fase vapor; (c)O volume especfico somente da fase lquida; (d)O volume especfico (mdio) do sistema. Soluo: Da tabela de saturao p/ T = 130 oC, Psat = 270,1 kPa; (b) Da mesma tabela, vV = 0,6685 m3/kg; (c) Ainda da mesma tabela, vL = 0,00107 m3/kg; (d) O volume especfico (mdio) da mistura obtido usando a expresso anterior, ou seja: kgmvxxvv LV / 06781,000107,0)1,01(6685,01,0)1(3V T= 130 oC L ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br Outro exemplo de uso do ttulo e volume especfico Com relao ao exemplo anterior, suponha que o volume do tanque seja de 0,5 m3. Ento, pede-se: (a)A massa total de gua contida no sistema; (b)A massa de vapor de gua e o volume ocupado pela fase de vapor; (c)A massa de lquido e o volume ocupado pela fase lquda; Soluo: (a) Sabendo que v = 0,06781 m3/kg, ento (b) Da definio do ttulo, vem (c) A massa de lquido a diferena entre a massa total e a de vapor, isto : Nota: tente fazer o clculo dos volumes das fases pela definio de volume especfico. gvVmmVv k 7,37406781,05,03 493,0 ekg 737,037,71,0mmvVmxmmmxVVVVV3m 007,0493,05,0 e kg 637,6737,0374,7 VLVL VVVmmmERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br As tabelas termodinmicas esto disponveis no sistema Moodle. H vrios programas de clculos termodinmicos, um dos quais (CATT 3) pode ser baixado de http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=resource&bcsId=7932&itemId=1118131991&resourceId=31073 No sistema Moodle, tambm estaro disponveis o pdf desta e das demais aulas, bem como material de suporte. Faa a lista 1 de exerccios e a entregue na prxima aula http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=resource&bcsId=7932&itemId=1118131991&resourceId=31073http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=resource&bcsId=7932&itemId=1118131991&resourceId=31073http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=resource&bcsId=7932&itemId=1118131991&resourceId=31073http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=resource&bcsId=7932&itemId=1118131991&resourceId=31073

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