Baixe Termodinamica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
Prof. Ms. Wladimir
(2009)
1ª AULA EPM – EE – EC
1. CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS
TERMODINÂMICA
- do Grego THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia
- DYNAMIS - FORÇA
2. DEFINIÇÃO
- Ciência que trata das transformações de energia de quaisquer espécies, umas nas outras
- Ciência da ENERGIA e das relações entre as PROPRIEDADES da matéria.
3. ÁREAS DE INTERESSE
- Física - princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.
- Termodinâmica na Engenharia.
- 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
- 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
- Sistemas energéticos alternativos
- Células de combustível
- Dispositivos termoelétricos e termoiônicos
- Conversores magnetohidrodinâmicos (MHD)
- Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica
- 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
3.1 SISTEMAS TERMODINÂMICOS
SISTEMA identifica o objeto da análise.
- Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa.
- Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui.
VIZINHANÇA - Tudo o que é externo ao sistema.
FRONTEIRA - superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua fronteira.
- Pode estar em movimento ou repouso.
- Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer análise termodinâmica.
- Sua definição é arbitrária e dever ser feita pela conveniência da análise a ser feita.
3.1.1. TIPOS DE SISTEMAS
- Sistema Fechado - quantidade fixa de matéria. Massa não entra, nem sai.
- Volume de Controle - região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa.
3.1.2. PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO MICROSCÓPICO
- MACROSCÓPICO - trata do comportamento global, inteiro do sistema. Nenhum modelo de estrutura molecular, atômica ou subatômica é utilizado diretamente. Este tratamento é o aplicado na termodinâmica CLÁSSICA. O sistema é tratado como um continuum.
- MICROSCÓPICO - tratamento que leva em conta a estrutura da matéria. É chamada de termodinâmica ESTATÍSTICA. O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas e relacioná-lo com o comportamento macroscópico do sistema.
3.2 PROPRIEDADE, ESTADO, PROCESSO E EQUILÍBRIO
- PROPRIEDADE - características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA
- ESTADO - condição do sistema, como descrito por suas propriedades. como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser
- PROCESSO QUASE-ESTÁTICO: processo idealizado composto de uma sucessão de estados de equilíbrio, representando cada processo um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior.Esses processos representam a base para comparação dos processos reais.
- (^) PROCESSOS REAIS: são compostos por sucessão de estados de não equilíbrio (não uniformidade espacial e temporal das propriedades, e variações locais com o tempo).
3.3 UNIDADES PARA MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA
3.3.1 Sistemas de Medidas
Grandezas – Comprimento, tempo, massa, temperatura, pressão, resistência elétrica, etc. Unidade – medida de grandeza cujo valor é definido exatamente como 1,0. Padrão – referência com a qual devem ser comparados todos os outros exemplos de grandeza.
3.3.2 Sistema Internacional de Unidades (SI)
Grandezas Fundamentais – Comprimento, Massa e Tempo, Força e Temperatura
Unidades Secundárias – são definidas em função das unidades das grandezas
fundamentais.
Grandeza Nome da Unidade Símbolo
Comprimento metro m
Tempo segundo s
Massa quilograma kg
3.3.3 Mudanças de Unidades
Método de conversão em cadeia – multiplica-se a medida original por um fator de conversão (uma relação entre unidade que é igual a 1).
Exemplo: 3.3.4 Prefixos das unidades do SI (Sistema Internacional de Unidades)
Fator Prefixo Símbolo Fator Prefixo Símbolo
1024 iota Y 10- 24 iocto y
1021 zeta Z 10- 21 zepto z
1018 exa E 10- 18 ato a
1015 peta P 10- 15 fento f
1012 tera T 10- 12 pico p
10 9 giga G 10-^9 nano n
10 6 mega M 10-^6 micro μ
10 3 quilo k 10-^3 mili m
10 2 hecto h 10-^2 centi c
10 1 deca da 10-^1 deci d
3.3.5 Sistema internacional de unicade e o sistema ingles
3.4 Conversão de Unidades
3.4.1 Temperatura
3.4.2 Comprimento
1 ft (pé) = 12” = 0,3048 m =30,48 cm
1” = 2,54 cm (1” = 1 in = 1 polegada)
1 m = 39,37” =3,28083 ft (ou 3,281 ft)
1 μ = 10 -3^ mm
1 psi = 0,0703 Kg/cm 2 = 2,309 ft 2
1 atm técnica = 1 Kg/cm 2 = 0,9678 atm física
9.. Energia
1 kcal = 1000 cal = 3,966 Btu
1 Btu = 252 cal = 0,252 Kcal = 0,293 watt.h = 778 ft.lb
1 Kgm = 7,2 ft.lb
1HP.h = 2545 Btu = 2,737x10 5 Kgm
1 watt.h = 3,413 Btu
10.. Potência
1 HP = 76,04 Kgm/s = 550 ft.lb/s = 0,7457 kw = 33000 ft.lb/min = 1,014 CV
1 CV = 75 kgm/s
1 watt = 14,34 cal/min = 44,24 ft.lb/min
1 kw = 1,3415 HP = 56,92 Btu/min
1 Btu/min = 0,0236 HP
11.. Viscosidade
1 poise = 1g/cms = 100 cp
1 cp = 0,01 p = 0,001kg/ms= 3,6 kg/mh= 0,000672 lb/fts = 2,42 lb/fth
12.. Condutividade térmica
K em Kcal/hm 2 .(o^ C/m) = 1,488 x k em Btu/hft 2 .(o^ F/ft)
k em Btu/hft 2 .(oF/in) = 12 x Btu/hft 2 .( o^ F/ft)
13.. Coeficientes de transmissão de calor
h ou U em Kcal/hm 2oC = 4,88 x h ou U em Btu/hft^2 o^ F
14.. Constantes
R = 0,082 (atm.l)/(o^ K.mol) = 1,987 cal/( o^ K.mol)= 1546 (ft.lb)/( o^ R.lbmol)
J = 4,18 j/cal = 778 ft.lb/Btu=427kgm/kcal
g = 981 cm/s 2 = 9,81 m/s^2 = 32,2 ft/s^2 = 4,18 x 10 8 ft/h 2
volume molar = 22,41 l/mol = 359 ft 3 /lbmol nas CNTP.
3 Grandezas secundárias
4.1 Densidade
Densidade ou massa específica é a grandeza que expressa a massa por unidade de volume
4.2 Volume específico é o inverso da densidade ou massa específica
- Densidade molar
- Volume molar
- Densidade para soluções
4.5.1 Solução homogênea (sob certas condições)
OBS: Em certas condições o calculo acima não pode ser aplicado, veja a figura abaixo.
- Densidade relativa
Dados: Um gerador elétrico a turbina eólica fornece eletricidade a uma bateria
Determinar: Para um sistema consistindo em (a) gerador elétrico a turbina eólica e (b) bateria de armazenamento, identifique os locais onde o sistema interage com a vizinhança e escreva as mudanças no interior do sistema com o tempo.
Hipóteses: 1 No item (a) o sistema é o volume de controle mostrado na figura por linhas tracejadas 2 No item (b) o sistema é fechado mostrado na figura por linhas tracejadas 3 A velocidade do vento é constante
Análise:
(a) Neste caso o ar escoa através da fronteira do volume de controle. uma outra interação principal entre o sistema e a vizinhança é a corrente elétrica que passa pelos fios. Entretanto sobre a perspectiva macroscópica, tal interação não é considerada uma transferência de massa. Com o vento uniforme, a turbina do gerador possivelmente atingirá um regime estacionário, em que a velocidade de rotação das pás é constante e uma corrente elétrica constante será gerada. Uma interação também ocorre entre a torre do turbogerador e o chão, uma força e um momento são necessários para manter a torre de pé (ereta). (b) A principal interação entre o sistema e sua vizinhança é a corrente elétrica que passa para a bateria através dos fios conforme observado em (a) esta interação não é considerada uma transferência de massa. O sistema é um sistema fechado. À medida que a bateria é carregada e ocorrem reações químicas dentro dela, a temperatura da superfície da bateria pode se tornar um pouco elevada e uma interação térmica pode ocorrer entre a bateria e sua vizinhança. Essa interação térmica pode ocorrer entre a bateria e sua vizinhança. Essa interação será considerada de importância secundária.
6 TRABALHO
Definição : sempre que uma força atua sobre uma distancia , há um trabalho realizado. A quantidade de trabalho pode ser escrita pela equação:
dW = F.dl (1)
F é a componente da força que atua na direção do deslocamento dl.
6.1 TRABALHO DE EXPANSÂO e COMPRESSÂO
Trabalho de Compresão e Expansão de um fluido num cilindro mediante a movimentação de um pistão
A força exercida pelo pistão sobre o fluido é dado po: produto da área do pistão pela pressão do fluido. O deslocamento do pistão é igual a variação de volume dividido pela área do pistão:
Portanto de (1) temos:
→ (2)
Integrando temos:
(3) - Expressão do trabalho realizado como resultado de uma compressão finita ou de um processo de expansão.
Este trabalho pode ser representado pela área hachurada da figura abaixo, onde um gás com volume V 1 à pressão P 1 é comprimido até a presssão P 2 com volume V 2.
A unidade SI de trabalho é newton-metro denominado joule (J).
7 ENERGIA
O conceito de energia está fundamentado na 2ª Lei de movimento de Newton e no trabalho:
Então da eq. (1) temos:
dW = F.dl
Mas : F=m.a logo:
dW = m.a.dl (4)
O trabalho de aceleração de um corpo provoca uma modificação na sua energia cinética, ou:
(10)
O trabalho feito sobre o corpo para elevá-lo produz uma alteração na sua energia potencial (gravitacional), ou:
(11)
