termodinâmica aplicações i

TERMODINÂMICA
 Disciplina:
Termodinâmica
 Professor: Caruso
Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES I
 Motores de automóveis
 Turbinas
 Bombas e Compressores
 Usinas Térmicas (nucleares,
combustíveis fósseis, biomassa ou
qualquer outra fonte térmica)
 Sistemas de propulsão para aviões e
foguetes
Termodinâmica Aplicada
1
APLICAÇÕES II
 Sistemas de combustão
 Sistemas criogênicos, separação de
gases e liquefação
 Aquecimento, ventilação e ar
condicionado
 Refrigeração (por compressão de
vapor, absorção ou adsorção)
 Bombas de calor
Termodinâmica Aplicada
APLICAÇÕES III
 Sistemas de aproveitamento da
energia Solar para aquecimento,
refrigeração e produção de energia
elétrica
 Sistemas energéticos alternativos
– Células de combustível
– Dispositivos termoelétricos e termo iônicos
– Conversores magneto hidrodinâmicos
(MHD)
Termodinâmica Aplicada
2
APLICAÇÕES IV
 Sistemas Geotérmicos
– Aproveitamento da energia dos oceanos
(térmica, das ondas, e das marés)
– Aproveitamento da energia dos ventos
(energia eólica)
 Aplicações biomédicas
– Sistemas de suporte à vida
– Órgãos artificiais
Termodinâmica Aplicada
CALOR E TEMPERATURA
 Calor é energia em trânsito devido a uma
diferença de temperatura.
 Sempre que existir uma diferença de
temperatura em um meio ou entre meios
ocorrerá transferência de calor.
– Está implícito na definição que um corpo nunca contém calor,
mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de
um sistema.
– O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando
não existe mais uma diferença de temperatura.
Termodinâmica Aplicada
3
TRANSFERÊNCIA DE CALOR I
 Condução
– Quando a transferência
de energia ocorrer em
um meio estacionário,
que pode ser um sólido
ou um fluido, em virtude
de um gradiente de
temperatura
Termodinâmica Aplicada
TRANSFERÊNCIA DE CALOR II
 Convecção
– Quando a transferência
de energia ocorrer
entre uma superfície e
um fluido em
movimento em virtude
da diferença de
temperatura entre eles,
usamos o termo
transferência de calor
por convecção.
Termodinâmica Aplicada
4
TRANSFERÊNCIA DE CALOR III
 Radiação
– Quando, na ausência de
um meio interveniente,
existe uma troca líquida
de energia (emitida na
forma de ondas
eletromagnéticas) entre
duas superfícies a
diferentes temperaturas
Termodinâmica Aplicada
TERMODINÂMICA - OBJETIVO
 A Termodinâmica trata da relação
entre o calor e as outras formas de
energia
 A energia pode ser transferida
através de interações entre o
sistema e suas vizinhanças. Estas
interações são denominadas calor e
trabalho
Termodinâmica Aplicada
5
TEMPERATURA I
 Propriedade difícil de se definir
– Inicialmente foi definida a partir da
sensibilidade do Homem
– Pode-se distinguir que o corpo 1 está mais
quente (ou frio) que o corpo 2 e este mais
quente que o corpo 3, etc.
– A quantificação da diferença somente é
possível através de instrumentos
(termômetros)
Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA II
 Assim como Massa, Comprimento e
Tempo, é difícil dar uma definição de
Temperatura em termos de conceitos
independentes ou aceitos como
primários.
 No entanto é possível se chegar a um
entendimento objetivo da IGUALDADE de
temperaturas usando o fato de que
quando a temperatura de um corpo
muda, outras propriedades também
mudam.
Termodinâmica Aplicada
6
TEMPERATURA III
 A medida de uma dessas propriedades, como
volume, resistência elétrica, pode ser associada
a uma dada temperatura. O dispositivo que
efetua essa medida é o termômetro.
 Se tomarmos dois blocos de cobre, um mais
quente que o outro e colocarmos os dois em
contato, haverá interação entre eles e o bloco
mais quente irá esfriar e o mais frio irá se
aquecer. Quando as interações cessarem as
quantidades mensuráveis pararão de variar e os
blocos estarão em equilíbrio térmico e portanto
à mesma temperatura.
Termodinâmica Aplicada
TEMPERATURA IV
 Lei Zero da Termodinâmica
– Quando dois corpos estão em equilíbrio com
um terceiro corpo eles estarão também em
equilíbrio entre si.
Termodinâmica Aplicada
7
TERMÔMETROS
 São dispositivos que empregam uma
substância ("termométrica") que possui
pelo menos uma propriedade variável
com a temperatura.
– de líquido em bulbo (volume): muito preciso;
– de gás a volume constante (hidrogênio ou hélio)
(pressão): padrão internacional para determinadas
faixas de temperatura;
– termopares (fem - força eletromotriz);
– termistores (resistência elétrica);
– pirômetros (radiação térmica).
Termodinâmica Aplicada
ESCALA DE TEMPERATURA
 Escala Kelvin (SI)
 Ponto fixo padrão: ponto triplo da água
(equilíbrio entre gelo, água e vapor
d'água) = 273,16 K (pressão = 0,6113 Pa
= 0,006 atm).
– Estabelecido por acordo internacional - facilmente
reprodutível.
– Ponto de gelo (equilíbrio entre gelo, água e ar a 1
atmosfera): 273,15 K.
– Ponto de vapor (equilíbrio entre a água líquida e
seu vapor a 1 atm): 373,15K.
– Intervalo entre ponto de gelo e ponto de vapor =
100 K.
Termodinâmica Aplicada
8
OUTRAS ESCALAS
 CELSIUS: T(oC) = T(K) - 273,15
 RANKINE: T(oR) = 9/5 T (K)
 FAHRENHEIT: T(oF) = T(oR) - 459,67
 T (°F) = 9/5  T(°C) + 32
Termodinâmica Aplicada
Exercício 1
– Embora pareça impossível atingir-se o zero
absoluto, temperaturas tão baixas quanto
0,000000002 K foram alcançadas em
laboratórios.
– Isso seria suficiente para todos os fins
práticos?
– Por quê os físicos deveriam (como o fazem)
tentar obter temperaturas ainda mais baixas?
Termodinâmica Aplicada
9
Exercício 1 – Solução
 Porque a temperaturas muito baixas os
materiais exibem propriedades não
observadas a temperaturas usuais. A
supercondutividade é um exemplo dessas
propriedades
 A motivação desse tipo de pesquisa está
no fato de se poder encontrar novos
fenômenos nas propriedades físicas dos
materiais
– A tentativa de se reduzir os limites físicos conduz
ao desenvolvimento de instrumentos mais
sofisticados
Termodinâmica Aplicada
Exercício 2
– Um termopar é formado por dois metais
diferentes, conectados em dois pontos, de
modo que uma pequena tensão é produzida
quando as duas juntas estão em
temperaturas diferentes.
– Num termopar de ferro-constantan, com
uma junção mantida a 0 oC, a tensão varia
linearmente de 0 a 28 mV à medida que a
outra temperatura varia entre 0 e 510 OC.
Determinar a temperatura da junta variável
quando a tensão medida for 10,2mV
Termodinâmica Aplicada
10
Exercício 2 – Solução
– Como a tensão “V” de saída varia linearmente com
a temperatura “T”, podemos escrever:
– V=a+bT
(1)
• (“a” e “b” são constantes)
– Os pontos fornecidos permitem determinar as
constantes:
V = 0 quando T = 0o C; substituindo na (1), vem que a = 0
V = 28 mV quando T = 510 oC
portanto b = 0,0549 mV/oC
– Para V = 10,2 mV, T = 185,8 oC
Termodinâmica Aplicada
Exercício 3
 A que temperatura os seguintes
pares de escalas serão
numericamente iguais:
– Fahrenheit e Celsius
– Fahrenheit e Kelvin
– Celsius e Kelvin
Termodinâmica Aplicada
11
Exercício 3 – Solução
– Fahrenheit e Celsius
• TF = 9/5  TC + 32
Como TF = TC TF = 9/5  TF + 32 ou
TF = - 40
– Fahrenheit e Kelvin
T = 9/5 (T – 273,15) + 32
T = 574,5875
– Celsius e Kelvin
• Como as duas escalas se relacionam linearmente
conforme a lei TC = T – 273,15, não há
temperatura em que as leituras sejam
numericamente iguais
Termodinâmica Aplicada
****
Termodinâmica Aplicada
12
Definições
 Sistema
– Identifica o objeto da análise
•
•
•
•
Corpo livre
Tanque de paredes rígidas
Tubulação onde um fluido escoa
Refinaria inteira
 Vizinhança
– Tudo o que é externo ao sistema
 Fronteira
– Lugar real ou imaginário que separa o Sistema de
sua Vizinhança
Termodinâmica Aplicada
Definições
 Sistema fechado
– Há uma quantidade
fixa de matéria
– A massa sob análise
não entra, nem sai
W
Q
Fronteira
GÁS
Vizinhança
 Volume de
controle
– Região do espaço
através da qual ocorre
fluxo de massa
Termodinâmica Aplicada
13
Definições
 Propriedade
– É qualquer característica mensurável da substância
estudada
 Propriedade intensiva
– É a que independe da quantidade de massa em
estudo
• Ex.: temperatura, pressão, densidade
 Propriedade extensiva
– É a que depende da quantidade de massa em estudo
• Ex.: Entalpia, energia interna, volume, entropia
– Obs: Uma propriedade extensiva vira intensiva,
quando expressa por unidade de massa
Termodinâmica Aplicada
Definições
 Fase
– Uma fase é definida como uma quantidade de
matéria totalmente homogênea
• A água está na fase líquida tal como ela sai de uma
torneira. Ela está na fase sólida tal como se apresenta em
cubos de gelo e na fase vapor (gasosa), tal como sai da
válvula de uma panela de pressão
 Estado
– É a condição termodinâmica de um sistema. Em
cada fase podemos ter uma infinidade de estados
• Em cada fase a substância pode existir submetida a
diversos valores de pressão, temperatura, volume, energia
interna, entalpia e etc.
• O conjunto de duas ou três dessas propriedades define o
estado
Termodinâmica Aplicada
14
Definições
 Processo
– é o caminho definido pela
sucessão de estados através do
quais a substância passa ao sair
de um estado inicial e chegar a
um estado final.
– Quando muda uma ou mais
propriedade de uma substância,
dizemos que ocorreu uma
mudança de estado.
 CICLO
– Um sistema executa um ciclo
quando sai de um determinado
estado inicial, passa por diversos
outros estados ou processos e
finalmente retorna ao estado
inicial.
– OBS: Uma propriedade de uma
substância tem valor único em
cada estado que se encontra e
independe do caminho que
percorreu até se encontrar
naquele estado
2
 dV  V
2
 V1
1
2
 dV  V
2
1

2
1
 V1
dH  H2  H1
2
 dS  S
2
 S1
1
Termodinâmica Aplicada
Definições
 Trabalho
– Força produzindo o
deslocamento de um
corpo, sendo que o
deslocamento
acontece da direção
da força
2
W2   FdX
1
1
2
F  p  A 1W2   p  AdX
1
2
dV  AdX1W2   p  dV
1
Termodinâmica Aplicada
15
Definições
 Energia interna (U)
– É a soma de todas as formas de energia
microscópicas tais como energia cinética e
potencial das moléculas que compõe um
sistema
–U=mu
– Onde: m  massa
u  energia interna por unidade de
massa
Termodinâmica Aplicada
Definições
 Entalpia (H)
– Ao analisar certos processos termodinâmicos,
freqüentemente encontramos a combinação da
propriedade Energia Interna (U) com o produto
(PV) que também é uma propriedade energética da
substância
– Esta combinação de propriedades foi denominada
de Entalpia
• H ≅ U + PV
• h ≅ u + Pv
• H=mh
Termodinâmica Aplicada
16
Definições
 ENTROPIA (S)
– É a medida do grau de desordem das
moléculas de uma substância
– O grau de desordem está relacionado com os
movimentos de translação, rotação e
vibração dos átomos e moléculas das
substâncias
 Conseqüência
– Sgás > Slíquido > Ssólido
Termodinâmica Aplicada
x
vT
vL
 Título (x)
– Propriedade
termodinâmica intensiva
definida pela razão entre
a massa de vapor pela
massa de mistura vaporlíquido quando uma
substância está em estado
de saturação
– Líquido saturado: x = 0
– Vapor saturado: x = 1
vv
Definições
mV
mV

m T m V  mL
Termodinâmica Aplicada
17
Exercício 4
 Dado que
x
mV
mV

mT m V  mL
 Mostrar que
v t  1 x  v L  x  v V
Termodinâmica Aplicada
Exercício 4 – Solução
x
mV
mV

mT m V  mL
VT  VV  VL
m T v T  mL v L  m V v V
vT 
mL v L  m V v V
mv
m v
 v T  L L  V V  1 x  v L  x  v V
mT
mT
mT
Termodinâmica Aplicada
18
Definições
 Propriedades específicas
– u, h, s, uV, uL, hV, hL, sV e sL são obtidas das
tabelas de propriedades termodinâmicas das
substâncias que constituem o fluido
operante do sistema térmico em estudo.
Tabelas
Termodinâmica Aplicada
Exercício 5
 Determinar o volume específico do
vapor saturado a 100 oF, tendo-se
um título de 70%, no SI
–
–
–
–
vT = vL + x vLV
vT = 16,130  10-3 + 0,7  349,984
vT = 245,005 ft3/lbm
vT = 15,295 m3/kg
Tabelas
Termodinâmica Aplicada
19
Exercício 6
 Determinar: temperatura de
saturação, volume específico,
entalpia, energia interna e a
entropia do vapor saturado a 3,75
bar, tendo-se um título de 100%
Termodinâmica Aplicada
Exercício 6 – Solução I
–
Note-se que a tabela não traz os valores
procurados (3,75 bar), daí a necessidade de
se interpolar os valores:
3,5 138,9 0,5243 2732,4 2546,9 6,9405
4 143,6 0,4625 2738,6 2553,6 6,8959
A interpolação é conseguida considerando-se (f0 e
f1 são os valores tabulados consecutivos):
x 0 f0
x fp
x 1 f1
fazendo :
p
x  x 0 
x1  x 0 
tem  se :
f p  f 0  1  p   p  f 1
Termodinâmica Aplicada
20
Exercício 6 – Solução II
Determinação da temperatura de saturação:
x0 = 3,5
f0 = 138,9
x = 3,75
fp = ?
x1 = 4
f1 = 143,6
p = 0,5
fp = 141,7 oC
Determinação do valores restantes:
vv = 0,4754 m3/kg hv = 2735,5 kJ/kg
uv = 2550,25 kJ/kg sv = 6,9182 kJ/(kg K)
Termodinâmica Aplicada
1o Princípio
 Princípio da
conservação da energia
 “A variação da energia
interna de um sistema é
dada pela diferença
entre o calor trocado
(Q) com o meio externo
e o trabalho ()
realizado.”
 U = Q - 
Termodinâmica Aplicada
21
Transformação isobárica
 Nas expansões
gasosas o volume do
gás aumenta, ele
próprio empurra o
êmbolo ou pistão,
realizando trabalho
positivo.
 Nas compressões
gasosas o volume do
gás diminui, o meio
externo empurra o
êmbolo ou pistão
contra o gás,
realizando trabalho
negativo.
Termodinâmica Aplicada
OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
 Isométrica, isocórica,
isovolumétrica
–  = p . V = 0 J , pois o volume é constante
– Q = U
 Isotérmica
– Lembrando que: U = 3/2 . n . R . T
– U = 0 joules , pois a temperatura é
constante
–Q = 
Termodinâmica Aplicada
22
OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
 Cíclica
– A pressão varia, então só é possível calcular o trabalho através
da área do gráfico (pressão x volume).
– Se o ciclo for horário: trabalho positivo; trabalho realizado pelo
gás (o volume aumenta).
– Se o ciclo for anti-horário: trabalho negativo; trabalho
realizado sobre o gás (o volume diminui).
– U = 0 J: pois o ciclo retorna para o mesmo ponto de partida,
ou seja, para a mesma temperatura.
Termodinâmica Aplicada
•
Termodinâmica Aplicada
23
2° Princípio da Termodinâmica
 Lord Kelvin enunciou o 2°
Princípio da
Termodinâmica, também
conhecido como Princípio
da Degradação da Energia
 “É impossível construir
uma máquina que,
operando em ciclos, retire
calor de uma fonte quente
e o transforme
integralmente em
trabalho”.
Termodinâmica Aplicada
Máquina 100%
Termodinâmica Aplicada
24
Termodinâmica Aplicada
Primeiro automóvel
Locomobile 1900 motor a vapor de dois cilindros
Termodinâmica Aplicada
25
Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.
Termodinâmica Aplicada
Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.
Termodinâmica Aplicada
26
Motor de dois tempos
Termodinâmica Aplicada
Ciclo de Carnot
No início do século XlX , Sandi Carnot
preocupava-se com o rendimento das
máquinas térmicas, em sua obra “Reflexões
sobre a força motriz do fogo” afirmava que
o rendimento de uma máquina térmica era
função única das temperaturas das fontes
frias e quente.
O ciclo para a obtenção do máximo
rendimento de uma máquina térmica
proposto por Carnot, é constituído de duas
transformações isotérmicas, intercaladas
com duas transformações adiabáticas.
Termodinâmica Aplicada
27
Ciclo de Carnot
Em seus estudos, Carnot demonstrou que
as quantidades de calor trocadas pelas fontes e
o meio externo são proporcionais às
respectivas temperaturas absolutas
( em
Kelvin ) das fontes. Toda máquina que puder
operar obedecendo o ciclo de Carnot terá
rendimento maior que qualquer outra que
esteja operando entre as mesmas fontes,
porém nunca igual a 100 %.
Termodinâmica Aplicada
Geladeira
• São máquinas térmicas cujo funcionamento consiste em retirar calor da fonte fria
(congelador) e rejeitá-lo à fonte quente ( meio ambiente ).
Tal dispositivo não
contraria o enunciado da
espontaneidade do fluxo
de calor enunciado por
Clausius, pois a passagem
não é espontânea,
ocorrendo à custa de um
trabalho realizador por
um compressor elétrico.
Termodinâmica Aplicada
28
Degradação da energia - entropia
 É um fato observado que, através do
Universo, que a energia tende a ser
dissipada de tal modo que a energia total
utilizável se torna cada vez mais
desordenada e mais difícil de captar e
utilizar.
 À medida que ocorrem os processos
naturais, apesar da a energia total se
conservar, ocorre uma diminuição na
possibilidade de se obter energia útil. Ou
seja, a energia utilizável degrada-se para
uma forma menos nobre de energia, a
energia de agitação molecular (energia
térmica).
Termodinâmica Aplicada
Degradação da energia - entropia
 A energia de agitação molecular é
considerada uma energia pouco
nobre, pois é desordenada ou
desorganizada.
 Sendo assim, a evolução do
Universo leva a um aumento na
desordem, ou seja, os processos
naturais tendem a aumentar a
desordem no Universo.
Termodinâmica Aplicada
29
Degradação da energia - entropia
 Em 1860, Clausius criou o conceito de
entropia ( palavra de origem grega que
significa “mudança de forma” ) visando
caracterizar essa tendência natural de
evolução do Universo.
 O fato de a entropia do Universo
aumentar continuamente, leva alguns
autores a sugerir que o Universo caminha
para uma espécie de morte pelo calor,
um estado de entropia máxima quando
toda energia existente não seria
utilizável, pois estaria sob a forma de
energia de agitação molecular (energia
térmica).
Termodinâmica Aplicada
Degradação da energia - entropia
 Exemplo de Entropia:
– Quando conduzimos um automóvel a energia
armazenada na gasolina é convertida em calor por
combustão e, depois, em energia mecânica, no
motor. A energia mecânica, ordenada, assim
produzida, dá origem ao movimento controlado e
ordenado do carro.
– Parte dessa energia foi irrevogavelmente dissipada
sob a forma de calor, na estrada, como resultado do
atrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio da
exaustão de gases e para vencer a resistência do
vento, e jamais será aproveitada.
Termodinâmica Aplicada
30
Tabelas: vapor d’água (sist. Inglês)
Temperatura
Pressão
t
pa
Volume específico
vL x103
Entalpia
νV
vLV
hL
ft3/lbm
hLV
Energia interna
hV
uL
BTU/lbm
uV
BTU/lbm
Entropia
sL
sV
BTU/(lb x R)
°F
psia
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Vapor
saturado
32,018
0,08866
16,022
3301,984
3302
0,01
1075,4
1075,4
0,00
1021,2
0,00000
2,1869
40
0,12166
16,020
2444,984
2445
8,02
1070,9
1078,9
8,02
1023,9
0,01617
2,1592
60
0,2563
16,035
1206,884
1206,9
28,08
1059,6
1087,7
28,08
1030,4
0,05555
2,0943
80
0,5073
16,073
632,784
632,8
48,09
1048,3
1096,4
48,08
1037,0
0,09332
2,0356
100
0,9503
16,130
349,984
350
68,05
1037,0
1105,0
68,04
1043,5
0,12963
1,9822
νV
hL
Pressão
Temperatura
pa
t
Volume específico
vL x103
vLV
Entalpia
ft3/lbm
hLV
Energia interna
hV
uL
BTU/lbm
psia
°F
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
1
101,70
16,136
333,584
5
162,21
16,407
73,514
10
193,19
16,590
14,696
211,99
20
227,96
uV
BTU/lbm
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
333,60
69,7
1036,0
73,53
130,2
1000,9
38,403
38,42
161,2
16,715
26,783
26,80
16,830
20,073
20,09
Entropia
sL
sV
BTU/(lb x R)
Líquido
saturado
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Vapor
saturado
1105,8
69,7
1044,0
0,13266
1,9779
1131,0
130,2
1063,0
0,23486
1,8441
982,1
1143,3
161,2
1072,2
0,28358
1,7877
180,2
970,4
1150,5
180,1
1077,6
0,31212
1,7567
196,3
960,1
1156,4
196,2
1082,0
0,33580
1,7320
Termodinâmica Aplicada
Tabela: vapor d’água (SI)
Pressão
Temperatura
pa
t
Volume específico
vL x103
vLV
Entalpia
νV
hL
m3 /kg
bar,abs
o
Energia interna
hLV
kJ/kg
hV
uL
uV
kJ/kg
C
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Líquido &
vapor
Vapor
saturado
2,5
127,4
1,0672
0,7176
0,7187
535,37
2181,5
3
133,6
1,0732
0,6047
0,6058
561,47
2163,8
3,5
138,9
1,0786
0,5232
0,5243
584,33
4
143,6
1,0836
0,4614
0,4625
4,5
147,9
1,0882
0,4129
0,4140
Entropia
sL
sV
kJ/kg x K
Líquido
saturado
Vapor
saturado
Líquido
saturado
Vapor
saturado
2716,9
535,1
2537,2
1,6072
7,0527
2725,3
561,15
2543,6
1,6718
6,9919
2148,1
2732,4
583,95
2546,9
1,7275
6,9405
604,74
2133,8
2738,6
604,31
2553,6
1,7766
6,8959
623,25
2120,7
2743,9
622,25
2557,6
1,8207
6,8565
Termodinâmica Aplicada
31