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

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<ul><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ERG-009 - FUNDAMENTOS DE </p><p>TERMODINMICA E CICLOS DE </p><p>POTNCIA </p><p>Aula 1 </p><p>Professor </p><p> Jos R. Simes-Moreira, Ph.D. </p><p>e-mail: jrsimoes@usp.br </p><p>ESPECIALIZAO EM </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS, GERAO DISTRIBUDA E EFICINCIA ENERGTICA </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>Prof. Jos R. Simes Moreira </p><p> Biografia </p><p>Graduado em Engenharia Mecnica pela Escola Politcnica da USP (1983), Mestrado em </p><p>Engenharia Mecnica pela mesma instituio (1989), Doutorado em Engenharia Mecnica - </p><p>Rensselaer Polytechnic Institute (1994) e Ps-Doutorado em Engenharia Mecnica na Universidade </p><p>de Illinois em Urbana-Champaign (1999). Atualmente Professor Associado da Escola Politcnica </p><p>da USP. Foi secretrio de comit tcnico da Associao Brasileira de Cincias e Engenharia </p><p>Mecnica, Avaliador in loco do Ministrio da Educao. Tem experincia na rea de Engenharia </p><p>Mecnica, com nfase em Engenharia Trmica, atuando principalmente nos seguintes temas: </p><p>mudana de fase lquido-vapor, uso e processamento de gs natural, refrigerao por absoro, </p><p>tubos de vrtices, energia solar concentrada e sistemas alternativos de energia. Coordenou vrios </p><p>cursos de extenso e atualmente coordenada o curso de especializao em Energias Renovveis, </p><p>Gerao Distribuda e Eficincia Energtica da USP. Tem sido professor de cursos de extenso </p><p>universitria para profissionais da rea de termeltricas, energia , vlvulas e tubulaes industriais. </p><p>Tem participado de projetos de pesquisa de agncias governamentais e empresas, destacando: </p><p>Fapesp, Finep, Cnpq, Eletropaulo, Ultragaz, Ipiranga, Comgas e Petrobras. Foi professor visitante </p><p>no INSA - Institut National des Sciences Appliques em Lyon (Frana) em junho e julho de 2009. </p><p>Tem desenvolvido projetos de cunho tecnolgico com apoio da indstria (Comgas, Ultragaz, </p><p>Petrobras e Vale). autor de mais de 100 artigos tcnico-cientficos, alm de ser autor de um livro </p><p>intitulado Fundamentos e Aplicaes da Psicrometria e editor e autor do livro Energias </p><p>Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica da LTC. Finalmente, coordena o </p><p>laboratrio e grupo de pesquisa da EPUSP de nome SISEA - Lab. de Sistemas Energticos </p><p>Alternativos (www.usp.br/sisea). </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS, GERAO DISTRIBUDA E EFICINCIA ENERGTICA </p><p>ESTRUTURA DO CURSO (2 anos) </p><p> rea disciplina </p><p>FUNDAMENTOS 1) Fundamentos de termodinmica e ciclos de potncia </p><p>2) Mquinas eltricas, redes inteligentes e gerao distribuda </p><p>INVESTIMENTO, LEGISLAO </p><p>E MEIO AMBIENTE </p><p>3) Anlise de viabilidade econmica de projetos de energia </p><p>4) Aspectos ambientais e instalaes de projetos de energia </p><p>5) Regulao da gerao distribuda </p><p>TECNOLOGIA E EFICINCIA </p><p>ENERGTICA </p><p>6) Cogerao </p><p>7) Eficincia energtica nas organizaes e empreendimentos </p><p>AS RENOVVEIS </p><p>8) Energia elica </p><p>9) Energia solar I </p><p>10) Energia solar II </p><p>11) Uso de biomassa, biodigestores e biogs </p><p>12) Pequenas centrais hidreltricas </p><p>MONOGRAFIA Trabalho de concluso do curso com defesa diante de banca </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>evoluo do uso de fontes primrias de energia em nvel mundial </p><p>(EJ = exajoule = 1018) </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>evoluo do uso de fontes primrias de energia em nvel mundial x </p><p>crescimento populacional </p><p>(EJ = exajoule = 1018) </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS participao em nvel mundial na produo </p><p> de energia eltrica </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS produo de energia eltrica - potncia de </p><p>empreendimentos em operao - Brasil </p><p> Potncia (%) </p><p> O Brasil possui no total 4.690 empreendimentos em operao, totalizando 153.413.918 kW de potncia instalada. </p><p> Est prevista para os prximos anos uma adio de 24.000.468 kW </p><p> na capacidade de gerao do Pas, proveniente dos 258 empreendimentos </p><p> atualmente em construo e mais 539 em Empreendimentos com Construo </p><p> no iniciada. (BIG ANEEL 2017) </p><p> CGH Central Geradora Hidreltrica (&lt; 1 MW) EOL Central Geradora Elica </p><p>PCH Pequena Central Hidreltrica </p><p>UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica </p><p>UHE Usina Hidreltrica </p><p>UTE Usina Termeltrica </p><p>UTN Usina Termonuclear </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS crescimento mundial </p><p> (1) Energia Solar Trmica </p><p> Coletores Planos </p><p>ERG-006 Energia Solar I e ERG-007 Energia Solar II </p><p>ren21.net </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS </p><p> (1) Energia Solar Trmica </p><p> Coletores Concentradores </p><p>ERG-006 Energia Solar I e ERG-007 Energia Solar II </p><p>Califrnia, EUA </p><p>ren21.net </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS (2) Energia Solar Fotovoltaica </p><p>ERG-007 Energia Solar II </p><p>Mineiro </p><p>Lapa, BA, 158 MW </p><p>ren21.net </p><p>Ribeira do Piau, PI, 292 MW </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS </p><p>(3) Energia Elica </p><p>ERG-005 Energia Elica </p><p>Cear </p><p>ren21.net </p><p>Em 2017, o Brasil assumiu a 8 posio mundial </p><p>em capacidade instalada de energia elica, com 12, 8 GW </p><p>(compare com Itaipu = 14 GW 15% da consumo brasileiro e 86% do paraguaio) </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS </p><p> (4) Biocombustveis Renovveis </p><p> Etanol </p><p> Biodiesel </p><p> Biodigestores e Biogs dejetos animais </p><p> aterros sanitrios </p><p> Gaseificao e Pirlise de Biomassa alga </p><p> bagao de cana </p><p> ERG-012 Uso de Biomassa, Biodigestores e Biogs </p><p>ren21.net </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS (PCHs) </p><p> (5) Energia Hidreltrica PCHs </p><p> Uma PCH uma usina hidreltrica com capacidade entre 1 MW e 30 MW </p><p> ERG-015 Pequenas Centrais Hidreltricas </p><p>Santa Catarina </p><p>hsbrservicos.com.br </p><p>olharabertopr.blogspot.com </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ENERGIAS RENOVVEIS - outras </p><p> (6) Energia Maremotriz (7) Energia elica com pipas </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ERG-009 - FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA E CICLOS DE POTNCIA </p><p> Programa Resumido </p><p>Conceitos fundamentais, trabalho e calor. </p><p>Propriedades termodinmicas e diagramas termodinmicos. </p><p>Lei de conservao de massa e Primeira lei da termodinmica. </p><p>Entropia e segunda lei da termodinmica. </p><p>Ciclo trmico de Carnot exerccios. </p><p>Combusto e combustveis. </p><p>Ciclo de Rankine teoria e componentes. </p><p>Ciclo Brayton. teoria e componentes. </p><p>Ciclo Diesel e Otto teoria e tipos. </p><p>Ciclo combinado teoria. Exemplos. </p><p>Bibliografia Resumida engel, Y. A. e Boles, M. A., Termodinmica, 5a Ed. McGraw-Hill, Inc., 2006. </p><p>Kehlhofer, R.H., Warner, J., Nielsen, H. e Bachmann, R., Combined-Cycle Gas &amp; Steam Turbine Powe Plant, </p><p>2a edio, PennWell Publishing Company, Oklahoma, EUA, 1999. </p><p>Moran M.J. e Shapiro H.N., Princpios de Termodinmica para Engenharia, 4a ed. LTC Editora, 2002. </p><p>Simes-Moreira, J. R. Notas de aula do curso. </p><p>Simes-Moreira, J. R. (editor), Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica, LTC , RJ </p><p>(2017) Livro-texto </p><p>Sonntag, R.E., Borgnakke, C., Van Wylen, G.J. Fundamentos da Termodinmica, 6, Edgar Blucher, SP, </p><p>2003 </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>MOTIVAO PARA O ESTUDO DA TERMODINMICA </p><p> Estudo dos processos de transformao da energia que ocorrem em mquinas e </p><p>equipamentos para produo de energias mecnica ou trmica til. A energia </p><p>mecnica til, em muitas vezes, transformada em energia eltrica por meio de </p><p>geradores eltricos. </p><p> (1) Central Termeltrica produo de energia eltrica </p><p>(combusto/calor energia trmica energia mecnica energia eltrica) </p><p> Turbinas a Vapor/Motor a Vapor </p><p> Turbinas a Gs </p><p> Motores de Combusto Interna </p><p>(2) Outras formas de produo de energia eltrica </p><p> Clula de Combustvel (energia qumica energia eltrica) </p><p> Converso Direta painis fotovoltaicos (energia solar energia eltrica) </p><p>(3) Produo de trabalho mecnico til </p><p>(acionamento direto de outras mquinas) </p><p> Motor de Combusto Interna </p><p> Turbinas a Vapor e Gs </p><p> Motor a vapor </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>MOTIVAO PARA O ESTUDO DA TERMODINMICA (cont...) </p><p>(4) Refrigerao e ar condicionado </p><p>(processos de produo de frio) </p><p> Ciclo de Compresso a Vapor (os que operam nas geladeiras) </p><p> Ciclo de Absoro de Calor (transformam calor em frio diretamente) </p><p> Refrigerao Termeltrica (efeitos termeltricos: eletricidadefrio) </p><p>(5) Manipulao do ar e outros gases </p><p>(processos de separao e armazenamento dos gases) </p><p> Usinas de Separao de N2, O2 e outros gases lquidos </p><p> Criogenia </p><p>(6) Processos de Combusto </p><p> Mquinas e Dispositivos de combusto </p><p> Teoria da Combusto </p><p>(7) Estudos ambientais </p><p> Poluio Trmica </p><p> Poluio Atmosfrica </p><p> Uso Eficiente da Energia </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ALGUMAS DEFINIES E OBSERVAES DA TERMODINMICA . </p><p>Definio Clssica: Termodinmica a cincia que lida com Calor e Trabalho e suas inter-</p><p>relaes </p><p>Callen: Termodinmica o estudo dos resultados macroscpicos de mirades de coordenadas </p><p>atmicas que, em virtude de mdias estatsticas, no aparecem explicitamente na descrio </p><p>macroscpica do sistema </p><p>Kestin: A cincia da Termodinmica um ramo da Fsica. Ela descreve os processos naturais </p><p>nos quais as mudanas de temperatura desempenham um papel importante. Tais processos </p><p>envolvem a transformao de uma forma de energia em outra. Consequentemente, a </p><p>Termodinmica lida com as leis que governam tais transformaes de energia </p><p>Van Wylen: A Termodinmica a cincia da energia e da entropia </p><p>Observaes de A. Einstein sobre a Termodinmica Clssica: Uma teoria tanto mais </p><p>impressionante quanto maior for a simplicidade das suas premissas, quanto maior o nmero de </p><p>coisas que ela relaciona e quanto maior for a amplitude da sua rea de aplicao. Portanto, esta </p><p>a profunda impresso que a Termodinmica Clssica realizou em mim. a nica teoria fsica de </p><p>contedo universal que, assim estou convencido, nunca ser derrubada dentro da rea de </p><p>aplicao dos seus conceitos bsicos </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>ALGUMAS DATAS, EVENTOS E CIENTISTAS RELEVANTES </p><p>(fonte: Huang F. Engineering Thermodynamics) </p><p>Data </p><p>Evento </p><p>1798 Conde Rumford (Benjamin Thompson) deu incio soluo da polmica da converso de trabalho em calor por meio do seu </p><p>experimento de usinagem de canhes </p><p>1799 Sir Humphry Davy estudou a converso de trabalho em calor por meio de experimentos de esfregar gelo. </p><p>1824 Sadi Carnot publicou seu grande trabalho Reflexes sobre o Poder Motriz do Fogo que incluiu os novos conceitos de ciclo e o </p><p>princpio de que uma mquina trmica reversvel operando entre dois reservatrios de calor depende apenas das temperaturas desses </p><p>reservatrios e no depende da substncia de trabalho </p><p>1842 Mayer postulou o princpio de conservao de energia </p><p>1847 Helmholtz formulou o princpio de conservao de energia de forma independente de Mayer </p><p>1843 1848 James Prescott Joule estabeleceu o fundamento experimental da primeira Lei da Termodinmica (lei de conservao de energia) ao </p><p>conduzir experimentos para demonstrar a equivalncia entre calor e trabalho. </p><p>1848 Lord Kelvin (William Thomson) definiu uma escala de temperatura absoluta baseada no ciclo de Carnot </p><p>1850 Rudolf J. Clausius foi provavelmente quem primeiro percebeu que h dois princpios bsicos: a primeira e a segunda Leis da </p><p>Termodinmica. Ele tambm introduziu o conceito de energia interna </p><p>1865 Clausius estabeleceu os princpios da primeira e segunda Leis da Termodinmica em duas linhas: </p><p>1.A energia do universo constante </p><p>2.A entropia do universo tende em direo um valor mximo </p><p>1875 Josiah Willard Gibbs publicou seu trabalho monumental Sobre o Equilbrio de Substncias Heterogneas, o qual generalizou a </p><p>Termodinmica para aplic-la sistemas heterogneos e reaes qumicas. O seu trabalho incluiu o importante conceito de potencial </p><p>qumico. </p><p>1897 Max Planck estabeleceu a segunda Lei da Termodinmica da seguinte forma: </p><p> impossvel construir uma mquina que, trabalhando em um ciclo completo, no vai produzir outro efeito do que o do levantamento </p><p>de um peso e sofre o resfriamento de um reservatrio de calor </p><p>1909 Caratheodory publicou sua estrutura da Termodinmica em base axiomtica de forma completamente matemtica. </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>A Termodinmica uma cincia experimental. </p><p> baseada em leis fundamentais: </p><p>Lei zero igualdade de temperaturas </p><p>1a Lei ou Lei da Conservao da Energia - </p><p> Energia total de um sistema se conserva </p><p>2a Lei Direes em que processos podem ocorrer </p><p> e limites de converso de formas de energia </p></li><li><p>ERG 009 Fundamentos de Termodinmica e Ciclos de Potncia Especializao em Energias Renovveis, Gerao Distribuda e Eficincia Energtica www.pecepoli.com.br </p><p>Ferramental da Termodinmica Exemplo do Motor de Combusto Interna </p><p>Um motor de combusto interna </p><p> um equipamento mecnico </p><p>muito complexo, formado por </p><p>diversos componentes que </p><p>operam prximo condies </p><p>crticas. A operao de um MCI </p><p>envolve sincronismo mecnico-</p><p>eltrico, lubrificao de partes do </p><p>motor, controle de combusto, </p><p>proteo de materiais de zonas </p><p>quentes. Enfim, trata-se de um </p><p>sistema mecn...</p></li></ul>