ATPS TERMODINMICA Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)

CURSO DE GRADUAOENGENHARIA CONTROLE E AUTOMAO6A

TERMODINMICA

ATPS

SOROCABA06/2011NDICE

ETAPA 3 .................................................................................PG 3

ETAPA 4..................................................................................PG 8

ETAPA 5..................................................................................PG 13

BIBLIOGRAFIA......................................................................PG 20

ETAPA 3: Passo 1:Aprimeira lei da termodinmicanada mais que oprincpio da conservao de energia e, apesar de ser estudadopara osgases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou tambm pode acontecer de o sistema no alterar seuvolume(t = 0);2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia igual variao de energia (U) do sistema. Se a variao de energia for zero (U = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.U= Q tSistema: e a parte do universo que estamos observando e estudando. Ex.: pode ser o vaso de uma reao, pilha eletroqumica, etc.Vizinhanas:so a parte externa do sistema de onde fazemos as observaes e as medidas.Sistema aberto:Quando a materia pode ser transferida atravs da fronteira entre o sistema e as suas vizinhanas.Sistema Fechado: Quando a matria no pode passar atravs das fronteiras.Sistema isolado:quando no h contato nem trmico nem mecnico com suas vizinhanas.Trabalho(W):propriedade fsica fundamental da termodinmica. H trabalho quando um corpo e deslocado contra uma forca que se ope ao deslocamento.Energia:energia de um sistema e a sua capacidade de realizar trabalho.Calor(q):transferncia de energia que faz o uso do movimento catico das molculas.Fronteira diatrmica:permevel a passagem de energia na forma de calor.Fronteira adiabtica:fronteira que no permite a transferncia de energia na forma de calor.Processo exotrmico:processo que libera energia na forma de calor.Processoendotrmico: processo que aborve energia na forma de calor.Calor se relaciona a Movimento catico/movimento trmico:A distino entre trabalho e calor se faz nas vizinhanas. Trabalho e a transferncia de energia que faz o uso do movimento organizado dos tomos ou molculas das vizinhanas. O calor e identificado como a transferncia de energia que faz o uso do movimento trmico das partculas nas vizinhanas do sistema.Energia Interna, (U):e a soma das energias cintica e potencial que compe o sistema.Funo de Estado:o seu valor depende exclusivamente do estado em que esta o sistema. U e uma funo de estado. Calor de trabalho so maneiras equivalentes de se alterar a energia interna de um sistema.Trabalho de expanso:surge quando h uma variao de volume. Obs.: O sinal negativo informa que qdo o sistema desloca o corpo contra a forca, a energia interna dosistema que efetua o trabalho diminui.Transformao reversvel:pode ser invertida pela modificao infinitesimal de uma varivel. (equilbrio)Expanso isotrmica reversvel:pv=nRT Calorimetria: estudo do calor transferido durante um processo fsico ou qumico.Calormetro e um dispositivo para medir o calor transferido.Capacidade calorfica:a energia interna de uma substancia aumenta quando sua temperatura se eleva. (propriedade extensiva)Calor especifico:capacidade calorfica da amostra, dividida pela sua massa, em gramas.

Entalpia:(H) H = U + p.V. Como U, p e V so funes de estado, portanto a entalpia tambm e uma funo de estado. Como medir a variao de entalpia? Pode-se medir calorimetricamente a variao de entalpia acompanhando-se a variao de temperatura de uma transformao fsica ou quimica que ocorra a presso constante. (calormetro isobrico) No caso de uma reao de combusto, pode-se usar um calormetro de chama adiabtico, medindo a variao de temperatura provocada pela combustao de uma substancia em atmosfera de oxignio. A maneira mais sofisticada de medir a variao de entalpia e atravs de um calormetro diferencial de varredura (DSC); atravs da equao pV=nRT.Termoqumica:e o estudo do calor produzidoou consumido nas reaes quimicasEstado padro:o estado padro de uma substancia, numa certa temperatura, e o da substancia na sua forma pura sob presso de 1 bar.

Lei de Hess:a entalpia padro de uma reao e igual a soma das entalpias padroes das reaes parciais em que a reao possa ser dividida. rH = somatrio da entalpia dos produtos somatrio da entalpia dos reagentes.constante.Assim temos enunciada a primeira lei da termodinmica: a variao de energia interna U de um sistema igual diferena entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformao.Aplicando a lei de conservao da energia, temos:U= Q t Q = U + t* Q Quantidade de calor trocado com o meio:Q > 0 o sistema recebe calor;Q < 0 o sistema perde calor.* U Variao da energia interna do gs:U > 0 a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;U < 0 a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.* t Energia que o gs troca com o meio sob a forma de trabalho:t > 0 o gs fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;t < 0 o gs recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

Passo 2:Temos o seguinte processo: Um recipiente, com volume de 10 m3, contm 0,02 m3 de gua lquida saturada e 3,75 m3 de gua no estado de vapor saturado a presso de 0,1MPa. Calor transferido gua at que o recipiente contenha apenas vapor saturado.Utilizaremos os conceitos j estudados para calcular o calor transferido nesse processo.Para isso utilizamos a regra geral:

Nesse caso no temos energia cintica nem energia potencial envolvidas, ento podemos excluir os termos e como no h variao de presso, tambm no temos trabalho, logo a equao fica: Simplificando a equao da energia interna em relao massa e volume especfico, temos: Para realizao dos clculos, utilizamos os dados da tabela B.1.2.

Agora devemos calcular a anergia interna final, para isso calcularemos primeiro o volume especfico final:

Agora com o auxlio novamente da tabela, atravs do volume especfico encontramos a energia interna especfica e aplicamos na frmula:

Podemos agora aplicar a frmula que nos fornecer o calor transferido:

Passo 3:Agora temos um novo processo onde, um reservatrio rgido, com volume de 120 litros que contm gua a 100C e ttulo de 80%. Considerando que o reservatrio ento resfriado at 20C. Calcularemos tambm o calor transferido.

Novamente no temos energia cintica nem energia potencial envolvidas, ento podemos excluir os termos e como no h variao de presso, tambm no temos trabalho, logo a equao fica:

Agora recorremos a tabela B1.1 e obtemos os dados necessrios.

Agora vamos calcular a massa:

Ento j podemos calcular o calor transferido:

ETAPA 4:Passo 1:Turbina a vapor a maquina trmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cintica. Deve transformar em energia mecnica a energia contida no vapor sob a forma de energia trmica e de presso.A turbina um motor rotativo que converte em energia mecnica a energia de uma corrente de gua, vapor dgua ou gs. O elemento bsico da turbina a roda (rotor), que conta com paletas, hlices, laminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferncia, de forma que o fluido em movimento produza uma fora tangencial qe impulsiona a roda, fazendo-a girar.Essa energia mecnica transferida atravs de um eixo para movimentar uma mquina, um compressor, um gerador eltrico ou uma hlice. As turbinas se classificam como hidrulicas ou de gua, a vapor ou de combusto. Atualmente, a maior parte da energia eltrica mundial produzida com o uso de geradores movidos por turbinas.A turbina a vapor atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primrios existentes. Uma srie de favorvel de caractersticas concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na competio com outros acionadores primrios, como a turbina hidrulica, o motor de combusto interna, a turbina a gs.

ComponentesEstator (roda fixa): o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja funo transformar a energia potencial (trmica) do vapor em energia cintica atravs dos distribuidores

Expansor: rgo cuja funo orientar o jato de vapor sobre as palhetas mveis. No expansor vapor perda presso e ganha velocidade.

Palhetas:Estas podem ser mveis na qual so fixadas ao rotor e fixas , as que ficam fixadas no estator . As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas moveis seguintes. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator ou em rebaixos usinados.

AplicaoAs turbinas a vapor so partes de um sistema gerador de potncia. As instalaes de potencia com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia eltrica ou mecnica e vapor para processo industrial.

Vantagens da turbina a vapor Utilizao de vapor a alta presso e alta temperatura. Alta eficincia Alta velocidade de rotao. Alta relao potncia /tamanho Operao suave, quase sem vibrao. No h necessidade de lubrificao interna. Vapor na sada sem leo Pode ser construdo com diferentes potncias: unidades pequenas (1MW) ou muito grandes (1200MW).

Desvantagens necessrio um sistema de engrenagens para baixas rotaes. A turbina a vapor no pode ser feita reversvel. A eficincia de turbinas a vapor simples pequenas pobre.

Passo 2:Agora aplicaremos os conhecimentos adiquiridos para realizar o clculo de trabalho especfico e potncia de uma turbina. Para isso utilizamos o seguinte caso: Uma turbina hidrulica alimentada com 5 kg/s de gua a 1,2 MPa e 350C. A temperatura e a presso da gua na seo de descarga da turbina so iguais a 20C e 100 kPa. Sabendo que a velocidade na seo de alimentao igual a 30 m/s e que a velocidade na seo de descarga pequena.

Para a realizao de clculos relacionados a turbinas, temos a frmula que segue:

As entalpias He e hs so obtidas atravs da tabela e os termos no utilizados so anulados, ficando:

Vale ressaltar que o termo dividido por 1000 para igualar as unidades.

Passo 3:Turbina a Gs:As turbinas a gs so motores trmicos que realizam a converso da energia de um combustvel em potncia de propulso, potncia de eixo ou potncia eltrica.Por serem mquinas de combusto interna realizam o processo de converso da energia do combustvel a altas temperaturas ( comeando com temperaturas da ordem de 1000 o C e terminando em temperaturas prximas de 500 o C ).A maior parcela da energia do combustvel que no aproveitada est nos gases de exausto ainda a altas temperaturas.

Teoricamente, turbinas a gs so extremamente simples. Elas tm trs partes: Compressor:comprime o ar de admisso por alta presso; Cmarade combusto:queima o combustvel e produz gs com alta presso e alta velocidade; Turbina:extraienergia do gs a alta presso e alta velocidade vindas da cmara de combusto.OTurbolice(turbopropulsorouturbo-hlice) um tipo deturbina a gs. O turbolice ummotorde reao mista, pois , basicamente, ummotor a jatoacionando umahlice. Entre o eixo daturbinae a hlice h um redutor de velocidade. Aforapropulsiva deste motor produzida 90% pela hlice e 10% pelosgasesde escapamento. Comparando-se o motor turbolice com o motor a jato puro, nota-se: O turbolice normalmente maior que ummotora jato detraoequivalente, mais complexo e possui mais partes mveis; Fornece maiortraoque o jato puro em baixas velocidades consumindo menoscombustvel; Nas decolagens, o turbolice acentua sua eficincia em virtude da hlice movimentar uma grandemassadear; nos pousos propicia maior fora de frenagem pelo maiorarrastooferecido pelo disco dahliceem passo mnimo ou reverso. O motor turbolice normalmente mais pesado que o turbojato detraoequivalente.Alguns turbolices so deturbinalivre, isto , tm uma turbina para acionar ahlicee outra, independente, para acionar ocompressor. Um tipo de motor turbolice de turbina livre consagrado o turbolice defluxoreverso Este tipo de motor bastante compacto e tem seu funcionamento diferente. Oar captado pela parte traseira do motor e a sada dos gases de escapamento feita na parte dianteira. Um exemplo deste motor o PT6, que equipa oBandeirante.ETAPA 5:Passo 2:Define-se ciclo de Carnot como um processo cclico reversvel que utiliza um gs perfeito, e que consta de duas transformaes isotrmicas e duas adiabticas, tal como mostrado na figura.

A representao grfica do ciclo de Carnot em um diagrama p-V o seguinte

Ramo A-B isotrmica a temperaturaT1Ramo B-C adiabticaRamo C-D isotrmica a temperaturaT2Ramo D-A adiabticaEm qualquer ciclo, temos que obter a partir dos dados iniciais: A presso, volume de cada um dos vrtices. O trabalho, o calor e a variao de energia interna em cada um dos processos. O trabalho total, o calor absorvido, o calor cedido, e o rendimento do ciclo.Os dados iniciais so os que figuram na tabela abaixo. A partir destos dados, temos de preencher os vazios da tabela.VariveisABCD

Pressop(atm)pA

Volumev(l)vAvB

TemperaturaT(K)T1T1T2T2

As etapas do cicloPara obter as variveis e grandezas desconhecidas faremos uso das frmulas que figuram noquadro-resumo das transformaes termodinmicas.1. Transformao A->B (isotrmica)A pressopB calculada a partir da equao do gs idealVariao de energia internaTrabalhoCalor2. Transformao B->C (adiabtica)A equao de estado adiabtica ou ento,. Explicitamosvcda equao da adiabtica.ConhecidovceT2obtemospc, a partir da equao do gs ideal..CalorVariao de energia internaTrabalho3. Transformao C->D (isotrmica)Variao de energia internaTrabalhoCalor4. Transformao D-> A (adiabtica)ExplicitamosvDda equao da adiabtica.ConhecidovDeT2obtemospD, a partir da equao do gs ideal..CalorVariao de energia internaTrabalhoO ciclo completo Variao de energia interna

Em um processo cclico reversvel a variao de energia interna zero Trabalho

Os trabalhos nas transformaes adiabticas so iguais e opostos. A partir das equaes das duas adiabticas a relao entre os volumes dos vrtices , o que nos conduz a expresso final para o trabalho. CalorNa isotrmicaT1 absorvido calorQ>0 j quevB>vAde modo queNa isotrmicaT2 cedido calorQ