introducão e conceitos termodinamicos

Profa.: Rubieli Carla Frezza Zeferino

UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA REGIONAL DE CHAPECÓ

- UNOCHAPECÓ

ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E AMBIENTAIS - ACEA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

SISTEMAS HIDRÁULICOS E TÉRMICOS

Conceitos de Termodinâmica

Ementa

Máquinas hidráulicas.

Máquinas térmicas.

Centrais térmicas.

Aplicações da termodinâmica na engenharia elétrica.

Justificativa

Os sistemas térmicos e hidráulicos são a base que move a área industrial,

tanto no setor produtivo, quanto no setor de transportes. Neste contexto, o

profissional formado em Engenharia Elétrica deve possuir bons

conhecimentos das técnicas e princípios de funcionamento de sistemas

hidráulicos e térmicos, para o dimensionamento adequado destes sistemas,

bem como a otimização dos seus parâmetros operacionais.

PLANO DE ENSINO

Objetivos

Objetivo Geral

Interpretar e aplicar os princípios da termodinâmica na área de Engenharia

Elétrica.

Objetivos Específicos

Capacitar os futuros engenheiros para:

- Avaliar os sistemas de conversão de energia térmica/elétrica/hidráulica.

- Analisar a influência dos diversos parâmetros que influenciam esta

conversão de energia.

- Conhecer os tipos, os elementos constitutivos, as equações necessárias

para o pré- dimensionamento, o campo de aplicações e o desempenho das

Máquinas Hidráulicas e Térmicas.

- Aplicar os conceitos da Termodinâmica na Engenharia Elétrica.

PLANO DE ENSINO

Conteúdo Programático

CONCEITOS DE TERMODINÂMICA

Introdução

Propriedades termodinâmicas

Equação dos gases ideais e reais

Energias

Sistemas termodinâmicos

Processos Termodinâmicos

Primeira Lei da Termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica na Engenharia

MÁQUINAS TÉRMICAS

Ciclos das máquinas térmicas

Motor Otto: características construtivas, funcionamento e regulagem.

Motor diesel: características construtivas, funcionamento e regulagem.

Outros tipos de ciclos térmicos.

PLANO DE ENSINO

Conteúdo Programático

CENTRAIS TÉRMICAS

Sistemas a vapor

Principais conceitos da termodinâmica relacionados a operação de caldeiras.

Tipos e especificações das caldeiras e seus acessórios principais.

Sistemas de refrigeração

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Bombas hidráulicas

Curvas características de máquinas hidráulicas.

Escoamento em condutos forçados: golpe de aríete.

Grandezas unitárias e velocidade de rotação específica.

Altura de sucção de máquinas hidráulicas: cavitação.

Turbinas Hidráulicas

Outras máquinas hidráulicas

PLANO DE ENSINO

Metodologia

- Aula expositiva e dialogada dos tópicos apresentados no

conteúdo da disciplina em sala de aula;

- Estudo dos conteúdos teóricos e utilização dos mesmos na

solução de situações problemas comuns da Engenharia

Elétrica;

- Simulações simples de situações problemas comuns da

Engenharia Elétrica;

- Indicação de listas de exercícios com aplicações básicas e

aprofundadas dos conhecimentos tratados;

PLANO DE ENSINO

Avaliação

- Duas provas individuais e escritas (G1-1 e G1-2), cada uma

com peso de 50% para compor a G1 (60% da média final).

- Uma prova individual e escrita para compor a G2 (40% da

média final).

Média de G1=(G1-1*0,5 + G1-2*0,5)

Média Final=G1*0,6 + G2*0,4

Primeira G1: 04/09/15

Segunda G1: 23/10/15

Avaliação G2: 04/12/15

PLANO DE ENSINO

Critérios de Avaliação

- Capacidade de adaptação do conteúdo teórico aos problemas

tratados.

- Capacidade de reconhecimento e modelagem dos sistemas

tratados.

- Capacidade de solução analítica dos problemas propostos.

- Capacidade de aplicação dos conteúdos a novos problemas.

PLANO DE ENSINO

Referências Básicas

• MORAN, Michael J. Introdução à engenharia de sistemas

térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluídos e transferência de

calor. Rio de Janeiro: LTC, 2005. 604 p. + CD-ROM ISBN 8521614462.

• MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica

para engenharia. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 800 p. ISBN

9788521616894 (broch.).

• LINSINGEN, Irlan von. Fundamentos de sistemas hidráulicos. 4. ed.

rev. Florianópolis: UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina, 2013.

398 p. (Didática. Classes de magistério Didática) ISBN 85328006468

(broch.).

PLANO DE ENSINO

Referências Complementares

• SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C.; ABBOTT, M. M.Introdução à termodinâmica da

engenharia química.5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 593 p. ISBN 8521611943

• ÇENGEL, Yunus A; BOLES, Michael A. Termodinâmica. 7. ed. São Paulo:

McGraw Hill, 2013. xxviii, 1018 p. + CD ROM ISBN 9788580552003 (broch.).

• BORGNAKKE, C.; SONNTAG, Richard E. Fundamentos da

termodinâmica: tradução da 8ª edição norte-americana.São Paulo: E. Blucher,

c2013. 728 p. ISBN 9786521207924 (broch.).

• MARTINS, Jorge Henrique Schaefer. Motores de combustão interna. 3. ed.

Porto: Publindústria, c2011. xxiii, 437 p. ISBN 9789728953850 (broch.).

• LEVENSPIEL, Octave. Termodinâmica amistosa para engenheiros. São Paulo:

E. Blucher, 2002. 323 p. : ISBN 8521203098.

PLANO DE ENSINO

A termodinâmica origina-se das palavras gregas:

Termo (calor)

Dinâmica (força)

Termodinâmica é definida como a ciência que trata do calor e do

trabalho, e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor

e ao trabalho. É baseada na observação experimental.

As transformações de energia que ocorrem numa máquina térmica se

realizam por meio de um fluido de trabalho que recebe, armazena e cede

energia em diversas formas.

Isto se realiza devido as mudanças de estado sucessivas do fluido.

O fluido passa de um estado de equilíbrio a outro, através de uma série de

estados de equilíbrio intermediários, realizando um processo.

INTRODUÇÃO

Este processo, pode ser aberto ou fechado, voltando, neste último caso,

o fluido ao estado inicial realizando-se assim um ciclo.

O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades

macroscópicas observáveis (temperatura, pressão, densidade, etc...).

O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar.

Tudo o que é externo ao sistema é a vizinhança.

O sistema é separado da vizinhança por uma fronteira.

Quando um sistema está em equilíbrio com relação a todas as mudanças

possíveis de estado, dizemos que ele está em equilíbrio termodinâmico.

INTRODUÇÃO

Uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende

do estado do sistema e é independente do caminho pelo qual o sistema

chegou ao estado considerado.

As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes

gerais:

Intensivas: propriedades que independem da massa. Ex: T e P

Extensivas: propriedades que dependem da massa. Ex: V, H e S.

Obs.: as propriedades extensivas específicas, isto é, propriedades

reduzidas à unidade de massa da substância, adquirem o caráter de

propriedades intensivas.

Uma outra propriedade que pode ser definida como propriedade intensiva

é a fração (x) que é uma propriedade que tem significado somente quando

a substância está num estado saturado.

PROPRIEDADES TERMIDINÂMICAS

Se uma substância existe como líquido à temperatura e pressão de

saturação é chamada de líquido saturado.

Líquido sub-resfriado significa que a temperatura é mais baixa que a

temperatura de saturação para uma dada pressão.

Líquido comprimido significa que a pressão é maior do que a pressão de

saturação para uma dada temperatura.


Se uma substância existe como vapor na temperatura e pressão de

saturação, é chamada vapor saturado.

Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de

saturação, é chamado vapor superaquecido.

A temperatura e a pressão do vapor superaquecido, bem como do líquido

comprimido são propriedades independentes, pois uma pode variar

enquanto a outra permanece constante.

Quando uma substância existe, parte líquida e parte vapor, na

temperatura de saturação a sua fração é definido como a relação entre a

massa de vapor e a massa total:


Neste caso, pressão e temperatura são propriedades dependentes,

necessitando-se da fração para se definir um estado, que é caracterizado,

na ausência de forças externas, por duas propriedades intensivas

independentes.

O estado de uma substância pura pode ser determinado, na ausência de

forças externas, por apenas duas propriedades intensivas independentes.

Assim, com a substância definida num dado estado, todas as outras

propriedades termodinâmicas assumirão valores particulares, calculáveis

através de relações a partir das duas propriedades originalmente

especificadas.

Essas relações termodinâmicas podem ser representadas em diagramas

bidimensionais, em coordenadas retangulares, com uma das propriedades

de estado tomada na abscissa e outra na ordenada.


Esses Diagramas de estado (ou de propriedades) são utilizados não só no

recurso de representação das demais propriedades, bem como na

visualização das mudanças de estado que ocorrem nos diversos

processos.

Os diagramas usuais são:

Temperatura x Entropia específica (T x s)

Temperatura x Entalpia específica (T x h)

Pressão x Volume específico (P x ν)

Entalpia esp. x Entropia esp. (h x s) - Diagrama de Mollier.

Por sua importância nos estudos dos ciclos de potências veremos com

mais detalhes o diagrama T x s , que tem a forma mostrada na figura a

seguir.


EQUAÇÕES DE ESTADO DOS GASES IDEAIS E REAIS

Um corpo pode encontrar-se em 3 estados físicos: sólido, líquido e

gasoso.

Estes estados se caracterizam precisamente pela importância das forças

de coesão entre as moléculas e o volume molecular:

Estado Sólido: as moléculas estão muito próximas, não tem movimento de

translação e as forças de atração ou repulsão entre elas são máximas.

Estado Líquido: a distância entre as moléculas aumenta com relação ao estado

sólido, mas ainda é pequena. Elas se movem com velocidade de translação e as

forças de coesão moleculares são menores.

Estado Gasoso: aumenta extraordinariamente o volume ocupado pela substância,

com o aumento da distância entre as moléculas e diminuem consideravelmente as

forças de coesão.


Gás Ideal: é aquele em que podemos desprezar tanto o volume molecular

como a força de atração entre as moléculas.

É uma extrapolação das tendências que mostram os gases reais a baixas

pressões e elevados volumes específicos.

Para um processo entre os estados 1 e 2, podemos escrever:

que é a equação geral de um gás ideal proveniente de (PV=nRT).


A temperatura constante, o volume específico de um gás ideal varia em

razão inversa da pressão absoluta:

A pressão constante, o volume específico de um gás ideal varia

diretamente com a temperatura absoluta:

A volume constante, a pressão absoluta varia diretamente com a

temperatura absoluta:


Como os estados 1 e 2 são arbitrários, podemos escrever:

que depende da natureza do gás e que pode ser determinado

experimentalmente. Assim, podemos escrever:

que é a equação de estados para gases perfeitos ou Eq. de Clapeyron.


Experiências realizadas com gases reais em grandes intervalos de

pressões e temperaturas demonstram que eles se comportam um pouco

diferente dos gases ideais.

Assim, para definir uma equação para os gases reais é necessário

introduzir um fator na equação dos gases perfeitos que é denominado

fator de compressibilidade (Z):

Note que:

para um gás ideal Z = 1

o desvio de Z em relação a unidade é uma medida do desvio da relação real

comparada à equação de estado dos gases perfeitos.

ENERGIAS: Armazenadas

ENERGIA POTENCIAL OU GRAVITACIONAL OU DE POSIÇÃO:

A energia potencial, ou gravitacional ou energia de posição depende da altura do

centro de gravidade do corpo com relação a um plano horizontal de referência.

ENERGIA CINÉTICA:

A energia cinética é devida ao movimento de translação do centro de gravidade do

corpo e da rotação.

ENERGIA INTERNA:

É a energia das moléculas e átomos constituída por: Ec. de translação das moléculas;

Ec. de rotação das moléculas;

Ec. vibratória dos átomos nas moléculas;

Ep. das moléculas devida a força de atração entre as mesmas.

ENERGIAS: de Trânsito

Representa a energia que atravessa a fronteira de um sistema na forma

de trabalho ou calor. São funções de linha (diferenciais inexatas).

TRABALHO: Um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre o meio

(tudo o que é externo ao sistema) puder ser equivalente ao levantamento

de um peso, como mostra a figura abaixo.


O trabalho é usualmente definido como uma força F agindo através de um

deslocamento dx na direção desta força:


ou de outro modo, como mostra a figura abaixo:


Portanto, o trabalho nada mais é do que a área sob a curva no gráfico PxV

e como se verifica não é função somente dos estados inicial e final, mas

também depende do caminho que se percorre para ir de um estado ao

outro.

Obs: não existe W2 - W1 e sim 1W2 (diferencial inexata)

Convenção:

W realizado pelo sistema: +

W realizado sobre o sistema: -


É definido como sendo a forma de energia transferida através da fronteira

de um sistema, numa dada temperatura, a um outro sistema (ou meio)

numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre

os dois sistemas. Pode ser transferida por condução, convecção, ou

radiação.

Tal como o trabalho, o calor transferido quando um sistema sofre uma

mudança, do estado 1 para o estado 2, depende do caminho que o

sistema percorre durante a mudança de estado.

Um processo em que não há troca de calor, é chamado processo

adiabático.

Convenção:

Q transferido para o sistema: +

Q transferido de um sistema: -

ENERGIAS: Entalpia

É uma propriedade que por definição é a soma da energia interna e do

trabalho de escoamento:

ENERGIAS: Calor específico

É a quantidade de calor que é preciso fornecer a uma unidade de massa

de uma substância para elevar a sua temperatura, em um determinado

processo, em 1 grau.

SISTEMAS TERMODINÂMICOS

SISTEMA FECHADO:

É aquele em que o fluxo de massa do exterior ao interior ou do interior para o

exterior do sistema é nulo.

Tem massa e identidade fixas.

O fluxo de energia em forma de calor ou trabalho pode ou não ser nulo, mas nos

sistemas fechados de nosso interesse não o é.

Se o fluxo de calor for nulo nas fronteiras do sistema ele é isolado termicamente.

Se o fluxo de calor e o trabalho são nulos o sistema é isolado.

SISTEMA ABERTO:

É aquele em que existe fluxo de massa do interior ao exterior ou do exterior ao

interior do sistema.

É também conhecido como volume de controle (V.C.).


SISTEMA ESTÁTICO:

É aquele em que só têm lugar processos estáticos.

Neles só pode variar a energia interna do sistema.

O fluxo e a variação de energia cinética ou potencial são nulos.

SISTEMAS DINÂMICOS:

É aquele em que o fluido (ou substância) percorre com variação não só da energia

interna como também da energia potencial e cinética.

Os sistemas dinâmicos podem ser abertos ou fechados.

Os abertos são mais importantes nos estudos das máquinas térmicas.


SISTEMAS DINÂMICOS ABERTOS EM REGIME PERMANENTE

É o sistema mais freqüente nos estudos das máquinas térmicas.

Suas características são:

o fluxo mássico em cada seção transversal ao fluxo é constante e não há

acumulação nem diminuição de massa em nenhum ponto do sistema;

não há incremento ou diminuição de energia em nenhum ponto do sistema; o fluxo

de calor e trabalho nas fronteiras são constantes,

todas as propriedades termodinâmicas (p,T,etc...) permanecem constantes ao longo

do tempo em qualquer ponto do sistema.

Ex: Turbina a vapor, passado o período da colocação em marcha.

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

PROCESSOS ABERTOS E FECHADOS (CICLOS)

Existem 4 processos elementares em que se mantém constante um

parâmetro termodinâmico e que são de suma importância no estudo das

máquinas térmicas:

processo isobárico (p = cte)

processo isocórico (V = cte)

processo isotérmico (T = cte)

processo adiabático - isoentrópico (dQ = 0 e s = cte) importantíssimo no estudo das

máquinas térmicas, pois representa o trabalho ideal.

As figuras a seguir, mostram estes processos nos planos PxV, Txs e hxs.


OUTROS PROCESSOS

processo adiabático (dQ = 0)

processo isoentrópico (s = cte)

processo isoentálpico (h = cte)

processo politrópico (processo que obedece a eq. P·vn = cte)

Obs: Os 4 processos enunciados inicialmente podem ser considerados

como casos particulares do processo politrópico; a saber:

n = 0: processo isobárico.

n = 1: processo isotérmico.

n = γ = Cp/Cv: processo adiabático.-isoentrópico.

n = ∞: processo isocórico.

A figura a seguir mostra estes processos nos planos Pv e Ts.


Existem dois outros tipos de processos:

Processo de expansão: é aquele em que o volume específico do gás

aumenta. Normalmente a pressão diminui, mas também pode permanecer

constante ou aumentar.

Processo de compressão: é aquele em que o volume específico do gás

diminui. Normalmente a pressão aumenta, mas também pode permanecer

constante ou diminuir.

A figura apresentada a seguir, mostra esses processos.


PROCESSOS REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS

Um processo se chama reversível quando, uma vez realizado, o sistema

pode retornar ao seu estado inicial sem mudança alguma no meio exterior,

de maneira que o processo pode se dar em ambas as direções sem

mudanças. Para exemplificar, consideremos a seguinte figura:


Inicialmente o gás se encontra no estado 1.

A fonte de calor fornece ou recebe calor do gás dependendo do caso.

O acumulador de energia mecânica absorve energia do gás quando o

volante se acelera e cede energia ao gás quando o volante desacelera.

O gás se expande segundo a trajetória 1-2 passando por uma série de

estados de equilíbrio.

Nesta expansão o gás realiza um trabalho que se acumula em forma de

energia cinética no volante.


Num caso ideal, realizado o processo de expansão, o gás poderia voltar em

sentido contrário segundo a mesma trajetória 2-1, para o qual a energia

cinética acumulada no volante se inverteria em trabalho de compressão do

gás, o qual ao se aquecer devolveria exatamente a mesma quantidade de

calor a fonte que a mesma havia cedido no processo 1-2.

Na prática, todos os processos reais são irreversíveis. Na situação real, a

compressão não seguiria o trajeto 2-1, pois tem o efeito do atrito e da troca de

calor com o meio.

Os processos reais lentos se aproximam dos reversíveis, porque neles a

pressão, que se propaga rapidamente, é praticamente a mesma em cada

instante.

Os processos reversíveis são os que apresentam maior rendimento. O

processo real tem tanto maior rendimento quanto mais se aproxima do

processo ideal reversível.


Calor Específico

Para os Gases ideais o calor específico não depende da pressão, só da

temperatura (c = f(t)).

Obs: Cp é sempre maior que Cv, porque para uma mesma elevação de

temperatura no processo isobárico, se necessita mais calor, a saber, além

do necessário para a elevação da energia interna, o necessário para

realizar trabalho.


Equação de Mayer

Uma equação muito usada na termodinâmica é:

que é função da temperatura e da pressão. Sabemos ainda que:

Para gases ideais:


Equação de Mayer

Portanto, pode-se deduzir outras equações muito usadas em

Termodinâmica:

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Embora a energia assuma diversas formas, a quantidade total de energia

é constante. Quando a energia desaparece de uma forma, ela reaparece

simultaneamente em outras formas.

Em particular, o calor pode se transformar em trabalho mecânico e este

em calor, existindo uma equivalência exata entre as quantidades que

participam da transformação.

1º Enunciado da 1ª Lei da Termodinâmica: "O calor nada mais é do que

uma forma de energia essencialmente equivalente ao trabalho mecânico".

Equivalente Mecânico do Calor: 1 Kcal = 4186,8 J


2º Enunciado da 1ª Lei da Termodinâmica: “Em todo sistema (aberto ou

fechado, estático ou dinâmico, em regime permanente ou transitório):

Energia que entra = incremento (positivo ou negativo) de energia

armazenada no sistema + Energia que sai.

3º Enunciado da 1ª Lei da Termodinâmica: “É impossível construir uma

máquina que restitua continua e indefinidamente mais energia que a

absorvida (moto perpétuo de primeira espécie)”.


Exemplo: turbinas a vapor, caldeiras, trocadores de calor etc.


Para sistemas dinâmicos em regime permanente:

Escrevendo em termos da massa:


Observações:

a) Nos sistemas analisados em máquinas térmicas os incrementos de

energia potencial são em geral desprezíveis em comparação com os

outros termos (gz = 0).

b) Ao se estudar máquina e aparatos que não são especificamente

trocadores de calor (ex: turbina, bomba, etc...) considera-se que neles se

realiza um processo adiabático, desprezando-se o calor por condução e

radiação (Q = 0).

c) Ao aplicar a equação geral para sistema aberto em regime permanente

a uma máquina ou sistema específico pode acontecer que um ou vários

termos são nulos ou desprezíveis, simplificando assim a equação.

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

A primeira lei serve para analisar as transformações energéticas

qualitativa e quantitativamente.

A segunda lei serve qualitativa e quantitativamente para analisar os

processos termodinâmicos, assim como para estudar o rendimento das

máquinas térmicas.

A primeira lei estabelece a equivalência de todas as transformações

energéticas.

A segunda lei analisa a direção destas transformações.


Primeiro Enunciado (Kelvin - Plank):

"Não é possível construir um motor periódico que realize trabalho

mecânico as custas somente da refrigeração de uma fonte de calor."

ou

"É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico

e que não produza outros efeitos além da realização de trabalho e troca

de calores com um único reservatório térmico."

ou

"É impossível construir um máquina térmica que opere num ciclo, que

receba uma dada quantidade de calor de um corpo à alta temperatura e

produza igual quantidade de trabalho (η < 100%)."


Segundo Enunciado (Clausius):

"O calor não pode passar espontaneamente de um corpo a outro, cuja

temperatura seja superior a do primeiro."

ou

"É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico

e que não produza outro efeitos além da passagem de calor de um corpo

frio para um corpo quente."

ou

"É impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho.

(β < ∞)"


Terceiro Enunciado (Clausius):

"É impossível construir um moto-perpétuo de segunda espécie."

ou

Um moto perpétuo de primeira espécie criaria trabalho do nada ou criaria

massa e energia violando, portanto, a primeira lei, como já foi visto.

ou

Um moto-perpétuo de segunda espécie não infringiria a primeira lei, mas

sim a segunda lei.


Quarto Enunciado (Clausius):

"Os processos espontâneos na natureza não são reversíveis."

ou

Os processos da natureza se classificam em espontâneos e não

espontâneos segundo se para realizá-lo se requererá ou não um processo

adicional.

Este enunciado nada mais é que uma generalização do enunciado de

Clausius.


Observações:

Todos os enunciados são negativos (é impossível demonstrar).

A segunda lei baseia-se na evidência experimental.

Todos os enunciados são equivalentes.

introducão e conceitos termodinamicos

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