Fundamentos Termodinâmicos

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SEM0360
Fundamentos Termodinâmicos
Arthur V. S. Oliveira
(avs.oliveira@usp.br)
AULA 5: 1ª Lei da Termodinâmica
Aula de hoje
• Moran e Shapiro (8ª ed): Capítulo 2 e 4
• Çengel e Boles (7ª ed): Capítulo 2 e 5
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Onde queremos chegar
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Fonte: Transtutors
Fonte: Wikimedia
3
Diferentes formas de energia
• Energia cinética
(macro)
• Energia potencial
(macro)
• Energia interna
(micro)
• Energia total
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𝐸𝑐 =
1
2
𝑚𝑉2 ∆𝐸𝑐 =
1
2
𝑚 𝑉2
2 − 𝑉1
2
𝐸𝑝 = 𝑚𝑔𝑧 ∆𝐸𝑝 = 𝑚𝑔(𝑧2 − 𝑧1)
𝑈 ∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1
𝑽 𝒆 𝑽
𝐸 = 𝑈 + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 = 𝑈 +
1
2
𝑚𝑉2 +𝑚𝑔𝑧
UNIDADE:
[J] ou [kJ]
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Na forma intensiva (por unidade de massa)
• Energia cinética
(macro)
• Energia potencial
(macro)
• Energia interna
(micro)
• Energia total
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𝑒𝑐 =
𝐸𝑐
𝑚
=
1
2
𝑉2 ∆𝑒𝑐 =
1
2
𝑉2
2 − 𝑉1
2
𝑒𝑝 =
𝐸𝑝
𝑚
= 𝑔𝑧 ∆𝑒𝑝 = 𝑔(𝑧2 − 𝑧1)
𝑢 ∆𝑢 = 𝑢2 − 𝑢1
𝑒 =
𝐸
𝑚
= 𝑢 + 𝑒𝑐 + 𝑒𝑝 = 𝑢 +
𝑉2
2
+ 𝑔𝑧
UNIDADE:
[J/kg] ou [kJ/kg]
5
Trabalho e potência
• Trabalho:
• Potência: taxa de realização de trabalho
• Unidades para trabalho e potência
• 𝑊: [J] ou [kJ]
• ሶ𝑊: [W], [kW], [hp] = 0,746 [kW], [cv] = 0,735 [kW]
• 𝑤: [J/kg] ou [kJ/kg]
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𝑊 = න
1
2
𝑭. 𝑑𝒔
ሶ𝑊 =
𝑑𝑊
𝑑𝑡
𝑤 =
𝑊
𝑚
𝑤 =
ሶ𝑊
ሶ𝑚
6
Experimento de Joule (séc. XIX)
• Equivalência mecânica do calor
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Fonte: Nigerian Scholars Fonte: Wikipedia Fonte: Wikimedia
3 termômetros
Precisão de ~0,1 °F (0,056 °C)
Joule alegava conseguir ler com 
precisão de 1/20 da divisão, isto é 
0,005 °F (0,0028 °C)
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1ª Lei da Termodinâmica
• Princípio da conservação de energia
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SISTEMA
Q W
Variação da 
quantidade de 
energia total do 
sistema
Quantidade líquida 
de energia 
transferida para 
dentro o sistema 
na forma de calor
Quantidade líquida 
de energia 
transferida para 
fora o sistema na 
forma de trabalho
∆𝑬 = 𝑸 −𝑾
Considerando taxa temporal: ሶ𝐸 = ሶ𝑄 − ሶ𝑊
E por unidade de massa 
ou vazão mássica: ∆𝑒 = 𝑞 − 𝑤
8
Exemplo 2.2 (Shapiro)
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m = 0,4 kg
p0 = 3 bar
V0 = 0,1 m³
VF = 0,2 m³
u2-u1 = - 55 kJ/kg
Q = ?
9
Exemplo 2.4 (Shapiro)
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?
10
1ª Lei para um ciclo termodinâmico
• Ciclo termodinâmico: sequência de processos que começa e 
termina no mesmo estado – logo, em regime permanente, não 
há variação líquida da energia total do sistema.
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∆ ሶ𝐸 = ሶ𝑄 − ሶ𝑊
0
ሶ𝑸 = ሶ𝑾
p
v
1
2 3
4
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Ciclos de potência vs Ciclos de refrigeração
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Ciclo de potência Ciclo de refrigeração 
Fonte: Shapiro
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Eficiência
• Eficiência: razão do que eu quero pelo o que eu gastei
• Ciclo de potência vs ciclo de refrigeração vs bomba de calor
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𝜂 =
𝑄𝑢𝑒𝑟𝑜
𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜
𝜂 =
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
= 1 −
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝛽 =
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
=
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝛾 =
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
=
𝑄𝑠𝑎𝑖
𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
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Volumes de controle
• Troca de energia na forma de trabalho e calor com a 
vizinhança
• Troca de massa com a vizinhança
• Balanço de massa
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Taxa temporal 
da variação 
de massa 
contida no 
sistema
Taxa temporal 
dos fluxos de 
massa entrando 
no sistema
Taxa temporal 
dos fluxos de 
massa saindo 
do sistema
𝒅𝒎𝑽𝑪
𝒅𝒕
=෍ ሶ𝒎𝒆 −෍ ሶ𝒎𝒔
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1ª Lei para volumes de controle
• Similar ao balanço de energia para sistema, mas agora incluindo a energia 
transferida junto com o fluxo de massa
• O problema do trabalho: ሶ𝑊 = ሶ𝑊𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 + ሶ𝑊𝑉𝐶
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ሶ𝐸 = ሶ𝑄 − ሶ𝑊 +෍ ሶ𝑚𝑒𝑒𝑒 −෍ ሶ𝑚𝑠𝑒𝑠 𝑒 = 𝑢 +
𝑉2
2
+ 𝑔𝑧
ሶ𝐸 = ሶ𝑄 − ሶ𝑊 +෍ ሶ𝑚𝑒 𝑢𝑒 +
𝑉𝑒
2
2
+ 𝑔𝑧𝑒 −෍ ሶ𝑚𝑠 𝑢𝑠 +
𝑉𝑠
2
2
+ 𝑔𝑧𝑠
ሶ𝐸 = ሶ𝑄 − ሶ𝑊𝑉𝐶 +෍ ሶ𝑚𝑒 ℎ𝑒 +
𝑉𝑒
2
2
+ 𝑔𝑧𝑒 −෍ ሶ𝑚𝑠 ℎ𝑠 +
𝑉𝑠
2
2
+ 𝑔𝑧𝑠
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Componentes avaliados como volumes de controle
• Balanço de massa e energia para cada componente
• Bocais e difusores
• Turbinas
• Bombas e compressores
• Queimadores, caldeiras e trocadores de calor
• Dispositivos de estrangulamento (válvulas de expansão, capilares)
• Próxima aula
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	Slide 1: SEM0360 Fundamentos Termodinâmicos
	Slide 2: Aula de hoje
	Slide 3: Onde queremos chegar
	Slide 4: Diferentes formas de energia
	Slide 5: Na forma intensiva (por unidade de massa)
	Slide 6: Trabalho e potência
	Slide 7: Experimento de Joule (séc. XIX)
	Slide 8: 1ª Lei da Termodinâmica
	Slide 9: Exemplo 2.2 (Shapiro)
	Slide 10: Exemplo 2.4 (Shapiro)
	Slide 11: 1ª Lei para um ciclo termodinâmico
	Slide 12: Ciclos de potência vs Ciclos de refrigeração
	Slide 13: Eficiência
	Slide 14: Volumes de controle
	Slide 15: 1ª Lei para volumes de controle
	Slide 16: Componentes avaliados como volumes de controle