termodiamica apostila petrobras

8/13/2019 Termodiamica Apostila Petrobras

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Termodinmica

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CURSODEFORMAODEOPERADORESDEREFINARIAFSICAAPLICADATERMODINMICA


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Termodinmica


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Termodinmica

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CURITIBA2002

FSICAAPLICADA

TERMODINMICALUIZFERNANDOFIATTECARVALHO

EQUIPE PETROBRAS

Petrobras / Abastecimento

UNS: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP


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Termodinmica

DisciplinaFsica Aplicada

MduloTermodinmica

Ficha Tcnica

UnicenP Centro Universitrio PositivoOriovisto Guimares

(Reitor)Jos Pio Martins

(Vice Reitor)Aldir Amadori

(Pr-Reitor Administrativo)Elisa Dalla-Bona

(Pr-Reitora Acadmica)

Maria Helena da Silveira Maciel(Pr-Reitora de Planejamento e AvaliaoInstitucional)

Luiz Hamilton Berton(Pr-Reitor de Ps-Graduao e Pesquisa)

Fani Schiffer Dures(Pr-Reitora de Ps-Graduao e Pesquisa)

Euclides Marchi(Diretor do Ncleo de Cincias Humanas e

Sociais Aplicadas)Helena Leomir de Souza Bartnik

(Coordenadora do Curso de Pedagogia)Marcos Jos Tozzi

(Diretor do Ncleo de Cincias Exatas eTecnologias)

Antonio Razera Neto(Coordenador do Curso de Desenho Industrial)

Maurcio Dziedzic(Coordenador do Curso de Engenharia Civil)

Jlio Csar Nitsch(Coordenador do Curso de Eletrnica)

Marcos Roberto Rodacoscki(Coordenador do Curso de Engenharia

Mecnica)Luiz Fernando Fiatte Carvalho

(Autor)Marcos Cordiolli

(Coordenador Geral do Projeto)Iran Gaio Junior

(Coordenao Ilustrao, Fotografia eDiagramao)

Carina Brbara R. de OliveiraJuliana Claciane dos Santos

(Coordenao de Elaborao dos MdulosInstrucionais)

rica Vanessa Martins

Iran Gaio JuniorJosilena Pires da Silveira

(Coordenao dos Planos de Aula)Luana Priscila Wnsch(Coordenao Kit Aula)

Carina Brbara R. de OliveiraJuliana Claciane dos Santos(Coordenao Administrativa)

Claudio Roberto PaitraMarline Meurer Paitra

(Diagramao)

Marcelo Gamaballi SchultzPedro de Helena Arcoverde Carvalho(Ilustrao)

Cntia Mara R. Oliveira(Reviso Ortogrfica)

Contatos com a equipe do UnicenP:Centro Universitrio do Positivo UnicenP

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81280-320 Curitiba PRTel.: (41) 317 3093Fax: (41) 317 3982

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Contatos com a Equipe da Repar:Refinaria Presidente Getlio Vargas Repar

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Mario Newton Coelho Reis(Coordenador Geral)

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Uzias Alves

(Coordenador Tcnico)Tel.: (41) 641 2301

e-mail: [email protected]

Dcio Luiz RogalTel.: (41) 641 2295

e-mail: [email protected] Aparecida Carvalho Stegg da Silva

Tel.: (41) 641 2433e-mail: [email protected]

Adair MartinsTel.: (41) 641 2433

e-mail: [email protected]


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Termodinmica

Sumrio1 CONCEITO FUNDAMENTAL ..................................................................................................... 7

1.1 Introduo ............................................................................................................................... 71.2 Presso .................................................................................................................................... 71.3 Propriedade, estado, processo e equilbrio .............................................................................. 71.4 O gs ideal ............................................................................................................................... 71.5 Trabalho numa transformao................................................................................................. 81.6 Transformao qualquer.......................................................................................................... 91.7 Energia Interna ........................................................................................................................ 9

2 1. LEI DA TERMODINMICA ................................................................................................. 102.1 Introduo ............................................................................................................................. 102.2 Transformaes Gasosas ....................................................................................................... 10

2.2.1 Processo Isobrico ....................................................................................................... 102.2.2 Processo Adiabtico..................................................................................................... 102.2.3 Processo Isotrmico ..................................................................................................... 112.2.4 Processo Isomtrico ..................................................................................................... 122.2.5 Processo de Estrangulamento ...................................................................................... 12

3 A 2. LEI DA TERMODINMICA............................................................................................ 133.1 Introduo ............................................................................................................................. 133.2 2. lei e suas dedues propiciam meios para: ...................................................................... 13

4 MQUINA TRMICA ................................................................................................................ 154.1 Introduo ............................................................................................................................. 15

4.2 Ciclo de Carnot ..................................................................................................................... 154.3 O vapor e a termodinmica ................................................................................................... 164.4 Processo de vaporizao ....................................................................................................... 174.5 Diagrama de Mollier ............................................................................................................. 184.6 Tabelas de vapor.................................................................................................................... 18

5 CICLO TRMICO ....................................................................................................................... 195.1 Introduo ............................................................................................................................. 195.2 Ciclo de Rankine ................................................................................................................... 19

5.2.1 Ciclo com reaquecimento ............................................................................................ 205.2.2 Ciclo regenerativo ........................................................................................................ 21

5.3 Ciclo real ............................................................................................................................... 23

5.4 Afastamento dos ciclos em relao aos ciclos ideais ............................................................ 23

6 APLICAES TERMODINMICAS MAIS USUAIS EM SISTEMAS TRMICOS ............. 246.1 Caldeira ................................................................................................................................. 24

6.1.1 Determinao das entalpias nos diversos pontos ......................................................... 246.2 Turbina .................................................................................................................................. 24

6.2.1 Determinao das entalpias nos diversos pontos ......................................................... 256.3 Vaso de Purga contnua ......................................................................................................... 256.4 Redutora de presso .............................................................................................................. 26

LEITURA COMPLEMENTAR A mquina a vapor: um novo mundo, uma nova cincia ...... 26

EXERCCIOS............................................................................................................................... 27


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1Conceito

fundamental1.1 Introduo

A termodinmica a parte da fsica que tratada transformao da energia trmica em ener-gia mecnica e vice-versa. Seus princpios di-zem respeito a alguns sistemas bem definidos,normalmente uma quantidade de matria. Umsistema termodinmico aquele que podeinteragir com a sua vizinhana, pelo menos deduas maneiras. Uma delas , necessariamente,transferncia de calor. Um exemplo usual aquantidade de gs contida num cilindro com umpisto. A energia pode ser fornecida a este sis-tema por conduo de calor, mas tambm possvel realizar trabalhomecnico sobre ele,pois o pisto exerce uma fora que pode movero seu ponto de aplicao.

As razes da Termodinmica firmam-se emproblemas essencialmente prticos. Uma m-

quina a vapor ou uma turbina a vapor, porexemplo, usam o calor de combusto de car-vo ou de outro combustvel para realizar tra-balho mecnico, a fim de movimentar um ge-rador de energia transformada. Essa transfor-mao feita, portanto, utilizando-se, geral-mente, um fluido chamado fluido operante.

O calor, uma forma de energia em trnsitocedida ou recebida pelo fluido operante, podeser analisado na base de energia mecnicamacroscpica, isto , das energias cintica e

potencial de cada molcula do material, mastambm possvel desenvolver os princpiosda Termodinmica sob o ponto de vista mi-croscpico. Nesta apostila, evitamos delibe-radamente este desenvolvimento, paraenfatizar que os conceitos bsicos da Termo-dinmica podem ser tratados quase que inte-gralmente de forma macroscpica.

1.2 PressoConsidere-se um recipiente cilndrico, que con-

tm um gs ideal, provido de um mbolo, de reaA, que pode deslocar-se sem atrito, quando sub-metido a uma fora resultante de intensidade Fexercida pelo gs, como mostra a figura seguinte.

A presso que o gs exerce sobre o mbo-lo dada por:

Fp =

A

1.3 Propriedade, estado, processo eequilbrio

Propriedade caractersticas MACROS-CPICAS de um sistema, como MASSA,VOLUME, ENERGIA, PRESSO e TEMPE-RATURA, que no dependem da histria do

sistema. Uma determinada quantidade (mas-sa, volume, temperatura, etc.) uma PRO-PRIEDADE, se, e somente se, a mudana deseu valor entre dois estados independente doprocesso.

Estado condio do sistema, como des-crito por suas propriedades. Como normalmen-te existem relaes entre as propriedades, oESTADO pode ser caracterizado por umsubconjunto de propriedades. Todas as outraspropriedades podem ser determinadas em ter-mos desse subconjunto.

Processo mudana de estado devido alterao de uma ou mais propriedades.

Estado estacionrio nenhuma proprie-dade muda com o tempo.

Ciclo termodinmico seqncia de pro-cessos que comeam e terminam em um mes-mo estado.

Exemplo: vapor circulando num ciclo depotncia.

1.4 O gs idealO gs ideal pela anlise newtoniana aquele que tem as caractersticas mais prxi-mas em um gs perfeito.

F A


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Termodinmica

Grandezas fundamentais de um gs:

P = presso

V = volume

T = temperatura (kelvin)

Lei Geral das Transformaes GasosasA Lei Geral dos Gases estabelece, utili-

zando a equao de Clapeyron, uma relaoque permite analisar uma transformao qual-quer, ocorrida com um gs perfeito, relacio-nando seu estado inicial e final.

1 1 2 2

1 2

P . V P . VT T

=

1.5 Trabalho numa transformaoConsidere-se um gs ideal contido num

recipiente, como no item anterior. O trabalhonuma transformao gasosa aquele realiza-do pela fora que o gs aplica no mbolo m-vel do recipiente.

Quando um gs expande-se, empurra as su-perfcies que o limitam, medida que estas semovimentam no sentido da expanso. Assim, umgs em expanso sempre realiza um trabalho po-sitivo. Para calcular o trabalho realizado por umsistema termodinmico durante uma variao devolume, considere o fluido contido no cilindroequipado com um pisto mvel.

Numa expanso, o volume aumenta e o

gs realiza trabalho sobre o meio externo.

Gs IdealO gs ideal um gs fictcio, de compor-

tamento regido pelas leis da mecnicanewtoniana: nas colises, no perde energia;as foras de coeso so consideradas nulas; ecada molcula possui volume desprezvel.

Equao de ClapeyronEsta equao estabelece uma relao en-

tre as variveis de estado (P, V, T) de um gs

perfeito.Clapeyron verificou que 1 mol (6,02 .1023

molculas) de qualquer gs perfeito, nas CNTP,tinha suas variveis de estado relacionadas de

tal modo que o quociente P . V

T sempre

constante, ou seja:P . V

RT

= .

A constante R denominada constanteuniversal dos gases perfeitos. Seu valor depen-

de das unidades de medida adotadas para asvariveis de estado.

Caso tomemos 1 mol de oxignio, ou 1mol de hidrognio, ou 1 mol de gscarbnico (todos supostos gases perfeitos),

para todos eles, o quocienteP . V

T ser o

mesmo e valer R.Assim, para um nmero (n) de mols, pode-

se dizer que o quociente resulta em n.R.

p . V = n . R . T

Mistura Gasosa Lei de DaltonEsta lei estabelece que a presso total

exercida por uma mistura gasosa a soma daspresses parciais exercida pelos gases quecompem a mistura, ou seja:

m m A A B B

m A B

P V P V P VT T T

= +

VF

V

F

deslocamentodo pisto

rea do

pisto

S

Vi

F i FV V V O O> > >

P VK

T=


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Numa compresso, o volume diminui e ogs recebe trabalho do meio externo.

1.6 Transformao qualquerAtravs do diagrama (P x V), pode-se de-

terminar o trabalho associado a um gs numatransformao gasosa qualquer.

A rea A, assinalada na figura acima, nume-ricamente igual ao mdulo do trabalho. O sinal dotrabalho depende do sentido da transformao.

UnidadesNo S.I., o trabalho medido em J (Joule),

sendo 1J = 1 N/m2

3

2

1N1J . 1m 1Nm

m

= =

Uma outra unidade utilizada atm.L, emque 1 atm.L = 102Nm.

1.7 Energia InternaA energia interna (U)de um gs est as-

sociada energia cintica de translao e rota-o das molculas. Podem tambm ser consi-deradas a energia de vibrao e a energia po-tencial molecular (atrao). Porm, no caso dos

gases perfeitos, apenas a energia cintica detranslao considerada.Demonstra-se que a energia interna de um

gs perfeito funo exclusiva de sua tempe-ratura (na Lei de Joule para os gases perfei-tos). Para um gs monoatmico, temos que:

U depende de T (kelvin)

Portanto, a variao da energia interna(U) depende unicamente da temperatura ab-soluta (T).

Vf

VF

deslocamentodo pisto

rea dopisto

S

Vi

A

= P . V

P = cte

P

A

A

B

V

F i FV V V O O> < >

> >

>

Lembrete:(V1/T1) = (V2/T2)

Compresso

U

Osistema

recebecalor

O

siste

ma

cedecalo

r

Trabalhorealizado

pelogs(expanso)

Trab

alhorealiz

ado

pelo

gs(

expa

nso)

Q > 0 T > 0

Ti Tf

Tf > Ti

VfVi

A=

V < 0 T < 0

< 0 U < 0

Q < 0

2.2.2 Processo AdiabticoUm processo realizado de modo que o sis-tema no receba nem fornea calor chamadoadiabtico. Em qualquer processo adiabtico,

Pi

Pf

P

VfVi

VA= isoterma

Processo Geral


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Q = 0, ou seja, no ocorre troca de calor. Pode-se realizar este processo, envolvendo o sistemacom uma camada espessa de um isolante tr-mico ou realizando-o rapidamente. A transfe-rncia de calor um processo relativamente len-to, de modo que qualquer processo realizadode maneira suficientemente rpida praticamen-te adiabtico. Aplicando-se a Primeira Lei a umprocesso adiabtico, tem-se que:

Para Q = nulo, ento, U = trabalho

Compresso

V zero zero V zero < < >

Transformao CclicaA transformao cclica corresponde a

uma seqncia de transformaes na qual oestado termodinmico final igual ao estadotermodinmico inicial, como, por exemplo, natransformao A B C D E A.

Assim, a variao de energia interna deum sistema, num processo adiabtico, igual em valor absoluto ao trabalho. Se otrabalho for negativo , como acontecequando o sistema comprimido, ento, ser positivo, U2 ser maior do que U1e a

energia do sistema aumentar. Se for po-sitivo, como na expanso, a energia inter-na do sistema diminuir. Um aumento deenergia interna , normalmente, acompa-nhado de um aumento de temperatura e umdecrscimo da energia interna, por umaqueda de temperatura.

A compresso da mistura de vapor degasolina e ar, que se realiza num motor deexpanso gasolina, constitui um exemplode um processo aproximadamente adiab-

tico, envolvendo um aumento de tempera-tura. A expanso dos produtos de combus-to durante a admisso do motor um pro-cesso aproximadamente adiabtico, comdecrscimo de temperatura. Os processosadiabticos representam, assim, um papelimportante na Engenharia Mecnica.

Q zero U= =

Expanso

V zero zero U zero > >

Ciclo no sentido anti-horrio

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