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Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Departamento de Engenharia Mecânica Disciplina: Termodinâmica Prof. Mara Nilza Estanislau Reis Cronograma ➢ Apresentação. (01/02) ➢ Conceitos Introdutórios e Definições. Exercícios. ➢ Energia e Primeira Lei da Termodinâmica. Exercícios. ➢ Avaliando Propriedades. Exercícios. ➢ Análise de Energia para volume de controle. Exercícios. Cronograma ➢A Segunda Lei da Termodinâmica. Exercícios. ➢Utilizando a Entropia. Exercícios. ➢Sistemas de Potência a Vapor. Exercícios. Cronograma ➢Sistemas de Potência a Gás. Exercícios. ➢Sistemas de Refrigeração e de Bombas de Calor. Exercícios. Referência Bibliográfica ➢MORAN, Michael J. SHAPIRO, Howard N.; Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 8 ed., Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 2018. 947 p. O que é Termodinâmica? ➢TERMOFLUIDODINÂMICA (ciência): relação forte entre TERMODINÂMICA, MECÂNICA DOS FLUIDOS E TRANSFERÊNCIA DE CALOR. O que é Termodinâmica? O que é Termodinâmica? ➢ Termodinâmica é a área do conhecimento que lida com fenômenos e processos envolvendo energia, nas suas diversas formas. É a ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor. O que é Termodinâmica? ➢ O termo é de origem grega: therme (calor) e dynamis (trabalho). O que é Termodinâmica? Termodinâmica lida também com os conceitos de qualidade e melhor aproveitamento de energia. As aplicações da termodinâmica na engenharia compreendem, tradicionalmente: ➢ equipamentos de geração de potência, processos de refrigeração e de condicionamento de ar, compressores e expansores de fluidos, motores e foguetes a jato. O que é Termodinâmica? Mais recentemente têm sido incluídos estudos de unidades ativas ou passivas de: ➢uso de energia solar, fontes geotérmicas, geradores eólicos. O que é Termodinâmica? O que é Termodinâmica? O que é Termodinâmica? Tem sido também estudada a utilização da energia de marés e da diferença de temperatura entre as camadas oceânicas. Conceitos e definições ➢Contorno: real ou imaginário. Fixo ou móvel. Espessura nula (sem volume, não contém massa). ➢Sistema: o termo é usado para identificar o objeto de análise. Ele representa tudo aquilo que se deseja estudar. Conceitos e definições ➢Vizinhança: tudo o que é externo ao sistema, separada do sistema pelas fronteiras. ➢Sistemas: fechado (massa de controle) ou aberto (volume de controle). Conceitos e definições ➢ Fronteira ou superfície de controle: superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança. 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. Conceitos e definições ➢Sistema termodinâmico (sistema fechado ou massa de controle): é definido como uma quantidade fixa de massa. Tudo o que for externo ao sistema é o meio ambiente e a região de separação entre o meio e o sistema é chamada de fronteira. Tudo que estiver fora do êmbolo é a vizinhança ou meio ambiente. Alguns autores chamam o sistema de sistema fechado. ➢ A fronteira pode ser móvel ou fixa. Conceitos e definições Tipos de sistemas: ➢ Fechado: formado por uma quantidade fixa e definida de matéria. Não pode ocorrer transferência de massa entre o sistema e a vizinhança. No entanto, pode haver troca de energia (calor ou trabalho) com as vizinhanças, mas não trocam matéria. Conceitos e definições ➢ Isolado: além de fechado, não há troca de energia com a vizinhança (adiabático), não interage de modo algum com suas vizinhanças. Conceitos e definições ➢ Volume de controle (sistema aberto): é um volume hipotético ou real que engloba uma determinada região do espaço que nos interessa para conduzirmos uma análise ou estudo. O volume de controle engloba uma máquina ou partes de uma instalação qualquer e ele é separado do meio através de uma superfície de controle. Pode haver troca de massa e de energia entre o sistema aberto e a vizinhança. Conceitos e definições - exemplos Conceitos e definições - exemplos PUC-MG Termodinâmica - 2/2022 Mara Reis. Conceitos e definições - exemplos Conceitos e definições - exemplos Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica ➢Microscópica: conhecida como Termodinâmica estatística, relacionada a estrutura da matéria. O objetivo é caracterizar comportamento por meios estatísticos o comportamento médio das partículas que compõem um sistema de interesse e relaciona essa informação com o comportamento macroscópico observado do sistema. Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Considere um cubo de 25mm de aresta preenchido com um gás monoatômico a pressão atmosférica e temperatura ambiente. Há cerca de 1020 átomos neste cubo. Seria preciso 6x1020 equações para descrever completamente o movimento destes átomos (3 para posição e 3 para velocidade). Essa é a visão microscópica. Exemplos: aplicações envolvendo lasers, plasmas, criogenia (temperatura extremamente baixas). Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica ➢Macroscópica: conhecida como Termodinâmica clássica, está relacionada com o comportamento geral ou global do sistema. Permite que importantes aspectos do comportamento de um sistema sejam avaliados partindo da observação do sistema global. Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica ➢A termodinâmica clássica utiliza o ponto de vista macroscópico, isto é, se interessa pelos resultados médios das interações daqueles átomos que resultam nas propriedades de pressão, temperatura, energia interna, etc... Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Propriedade ➢Características macroscópicas de um sistema, como massa, volume, energia, pressão e temperatura, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma propriedade, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo. Podem ser: Propriedade ➢Extensiva - Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido. Dependem do tamanho e extensão do sistema. Seus valores podem variar com o tempo. Exemplos: massa, energia, volume. Propriedade ➢Intensiva - são aquelas cujos valores independem do tamanho ou da extensão do sistema. Não são aditivas, são funções da posição e do tempo (podem variar de local para local no interior de um sistema em qualquer momento). Exemplos: pressão, temperatura, massa específica. Propriedade Propriedade ➢Específica - propriedade extensiva por unidade de massa. Exemplo: volume específico. Massa específica e volume específico. = → lim 'V V m V V' = menor volume para o qual a substância pode ser tratada como meio contínuo. V m em V dV dm dm dV ' ' → → → = Massa específica e volume específico. 𝛝 = 𝐕 𝐦 = 1 𝛒 𝒏 = 𝒎 𝑴𝑴 ഥ𝝑 = 𝑽 𝒏 = 𝑽 𝒎 𝑴𝑴 = 𝝑𝑴𝑴 𝐧 = número de moles MM = massa molecular ഥ𝝑 = volume específico molar Estado e Processo ➢Condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o estado pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto. Estado e Processo ➢ P1, P2, P3, T1, T2, T3: propriedades ➢ 1, 2, 3: estados ➢ 1-2; 2-3: processos (isobárico; isotérmico) ➢ Estado é diferente de fase Estado e Processo ➢Regime permanente: Nenhuma propriedade muda com o tempo. ➢Regime transiente: As propriedades mudam com o tempo. Estado e Processo ➢ Processo: é o caminho definido pela sucessãode estados através dos quais o sistema percorre, é a mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades. Tipos de processos ➢ Isobárico: ocorre a pressão constante. ➢ Isocórico (isométrico ou isovolumétrico): ocorre a volume constante. ➢ Isotérmico: ocorre a temperatura constante. Tipos de processos ➢ Isentrópico: ocorre a entropia constante. ➢ Isentálpico: ocorre a entalpia constante. ➢ Adiabático: sem ganho ou perda de calor. Ciclo termodinâmico ➢ Sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de refrigeração. Ciclo termodinâmico Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). ➢Uniformidade de propriedades no equilíbrio: não variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura. Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). ➢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. Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). Exemplo: Verificar se o sistema está em equilíbrio termodinâmico Isolar um sistema de sua vizinhança e aguardar por mudanças em suas propriedades. Se não acontecerem mudanças, o sistema estava em equilíbrio no momento em que ele foi isolado, ou seja, em estado de equilíbrio termodinâmico. Sistemas de dimensões e unidades Como definir DIMENSÃO? ➢ Dimensões: são grandezas mensuráveis (quantidades físicas). Podem ser primárias (básicas) e secundárias (derivadas). Exemplo: comprimento, volume, força, corrente elétrica, tempo, potência. As dimensões podem ser: Sistemas de dimensões e unidades ➢ primárias (básicas): são aquelas que podem ser medidas independentemente umas das outras e que formam a base do Sistema de Unidades. Exemplo: corrente elétrica, intensidade luminosa, comprimento, massa. ➢secundárias (derivadas): são aquelas expressas como uma combinação das dimensões fundamentais. Exemplo: tensão, potência, trabalho, volume. Sistemas de dimensões e unidades Como definir UNIDADE? ➢ Unidades: é o meio de expressar numericamente a dimensão, ou seja, quantificá-la, são nomes arbitrários dados às dimensões. Exemplo: metro, polegadas para o comprimento; horas, segundos, dias, anos para o tempo. Sistemas de dimensões Lei da Homogeneidade dimensional: “Todos os termos de uma expressão matemática, que, traduz um fenômeno físico, devem possuir a mesma dimensão”. Exemplo: 2 00 2 1 attVxx ++= ( ) ( ) + += 2 22 1 t t L t t L LL Sistemas de unidades ➢ Três sistemas básicos de unidades: A. Massa[M], Comprimento [L], Tempo [t], Temperatura [T]. B. Força [F], Comprimento [L], Tempo [t], Temperatura [T]. C. Força [F], Massa[M], Comprimento [L], Tempo [t], Temperatura [T]. Sistemas de unidades Sistemas de unidades mais comuns SISTEMAS DE DIMENSÕES SISTEMA DE UNIDADES a. MLtT SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) b. FLtT GRAVITACIONAL BRITÂNICO c. FMLtT INGLÊS DE ENGENHARIA Sistemas de unidades mais comuns SISTEMAS DE DIMENSÕES SISTEMA DE UNIDADES FORÇA MASSA COMPRIMENTO a. MLtT SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) N kg m b. FLtT GRAVITACIONAL BRITÂNICO lbf slug ft c. FMLtT INGLÊS DE ENGENHARIA lbf lbm ft Sistemas de unidades mais comuns SISTEMAS DE DIMENSÕES SISTEMA DE UNIDADES TEMPO TEMPERATURA a. MLtT SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) s K b. FLtT GRAVITACIONAL BRITÂNICO s R c. FMLtT INGLÊS DE ENGENHARIA s R Fatores de conversão Pressão ➢ A pressão é definida como uma força normal exercida por um fluido (gás ou líquido) por unidade de área. Pressão ➢A pressão surge devido às colisões das moléculas com as paredes do recipiente (bombardeamento molecular). Pressão A F P = P = Pressão [F/L2] F = Força [F] A = Área [L2] DIM: [F/L2] Unidades: (N/m2 = Pa; atm; lbf/ft2; m.c.a; lbf /in2 = psi; mmHg) Pressão Para gases ideais, a pressão pode ser relacionada à massa específica e à temperatura através da seguinte expressão: TRnP = n = quantidade de matéria [n] T = temperatura absoluta do gás [T] = constante universal dos gases [ 𝐹 𝑛 𝑇 𝐿] = 8,3144 kJ/(kmol.K) R R Pressão TRnP = Se, ao invés do número de moles, for considerada a massa do gás, a equação pode ser reescrita na forma: mRTP = 𝒏 = 𝒎 𝑴𝑴 Pressão mRTP = MM R R = Onde R é a constante específica de cada gás, DIM. [ 𝐹 𝐿 𝑀 𝑇 ], relacionada à constante universal dos gases através da massa molecular do gás, MM, sendo dada em kg/kmol no Sistema Internacional. Equação da estática dos fluidos ➢ A diferença de pressões entre 2 pontos de uma massa líquida em equilíbrio é igual à diferença de profundidade multiplicada pelo peso específico. ➢ No interior de um fluido em repouso, pontos de uma mesma profundidade suportam a mesma pressão. Teorema de Stevin ➢ O teorema de Stevin também é conhecido por TEOREMA FUNDAMENTAL da HIDROSTÁTICA e sua definição é de grande importância para a determinação da pressão atuante em qualquer ponto de uma coluna de líquido. ➢ O teorema de Stevin permite calcular a variação da pressão em um fluido incompressível em repouso. Teorema de Stevin ➢ É a pressão que atua sobre a superfície do fundo de um recipiente cheio, e depende da altura do fluido existente no recipiente e não depende do tipo de recipiente usado. ➢ Se o fluido puder ser considerado incompressível, a diferença de pressão entre dois pontos do fluido será diretamente proporcional à diferença de altura entre eles - EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA HIDROSTÁTICA . Teorema de Stevin ➢ “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos avaliados”, matematicamente essa relação pode ser escrita do seguinte modo: hgP = )( ABAB hhgPPP −=−= )( AB hhh −= Escalas de pressão ➢ Os valores de pressão devem ser estabelecidos em relação a um nível de referência. As maneiras de se expressar a pressão variam, portanto, com o nível de referência adotado. ➢ Quando o nível de referência é zero (vácuo), as pressões são denominadas absolutas. ➢ Quando o nível de referência é a pressão atmosférica local, as pressões são denominadas pressões manométricas ou efetivas. Escalas de pressão ➢ O QUE É A PRESSÃO MANOMÉTRICA? Pressão medida tomando-se como referência o valor da pressão atmosférica local (Patm). Patm = 1atm = 101,325 kPa = 1,0332x104 kgf/m2 = = 1,0332 kgf/cm2 = 10,332 m.c.a. = 760 mmHg = = 14,7 psi = 1,01325 bar Escalas de pressão ➢Essa pressão medida é chamada de pressão manométrica, ou pressão relativa, ou ainda pressão efetiva. Na escala manométrica, as pressões podem assumir valores tanto positivos quanto negativos. Escalas de pressão ➢ A pressão manométrica pode assumir valores positivos, negativos ou nulos. Se P>Patm, Pman > 0 Se P<Patm, Pman < 0 Se P=Patm, Pman = 0 Escalas de pressão ➢ O QUE É A PRESSÃO ABSOLUTA? A escala absoluta é a escala física da pressão. A pressão absoluta é a pressão medida a partir do zero absoluto (vácuo absoluto). Escalas de pressão A pressão absoluta atinge o zero quando um vácuo ideal é obtido, ou seja, na situação de ausência de matéria. Nessa escala, só existem valores positivos de pressão. A pressão a ser utilizada em cálculos envolvendo equações de gás ideal ou outras equações de estado é a pressão absoluta. Escalas de pressão Patm = 1 atm Patm = 1,013 bar Patm = 1,03kgf/cm² Patm = 101,3 kPa Patm = 14,7 psi Patm = 760 mmHg Escalas de pressão manatmabs PPP += manatmabs PPP −= Tubo piezométrico ➢ O tubo piezométrico é um manômetro de construção muito simples, sendo composto por um tubo vertical ou inclinado aberto conectado para a atmosfera na sua extremidade superior e fixado a um recipientecuja pressão se deseja verificar. ➢ Esse tipo de manômetro só pode ser utilizado para medição de pressão em reservatórios com líquidos e nunca com gases, pois estes sairiam pela extremidade aberta e se perderiam na atmosfera. Tubo piezométrico ➢ Este método é utilizado para líquidos e unicamente quando a altura líquida pode ser medida. ➢ O cálculo da pressão no piezômetro é feito pela aplicação da equação da estática dos fluidos entre a pressão a ser obtida no centro do tubo e da pressão no topo da coluna fluida, que é a pressão atmosférica (Patm). Tubo piezométrico ghPP PPP PP atm A =− == = 21 20 1 Tubo em “U” ➢ O manômetro com tubo em “U” é composto por um tubo transparente e curvo, com configuração em “U” parcialmente preenchido com um líquido de massa específica conhecida, denominado fluido manométrico. ➢ Para medição de altas pressões, utilizam-se fluidos com altos pesos específicos, como o mercúrio. No caso de menores pressões, utilizam-se fluidos com menores pesos específicos, como água ou óleo. Tubo em “U” ➢ Os manômetros com tubo em “U” não são adequados para medir pressões muito elevadas ou aquelas que variam rapidamente. Exemplo No manômetro diferencial mostrado na figura, o fluido A é água, B é óleo e o fluido manométrico é mercúrio. Sendo h1 = 25cm, h2 = 100cm, h3 = 80cm e h4 = 10cm, determinar a diferença de pressão entre os pontos A e B. Dados: Patm = 101,32 kPa dHg= 13,59 dóleo= 0,8 H2O = 103 kg/m3 Exemplo Temperatura ➢ É uma propriedade intensiva, como pressão e volume específico. Difícil definir rigorosamente (energia cinética das moléculas de um gás perfeito). ➢ Assim como a força, o conceito de temperatura é originado de nossa percepção sensorial. Consegue-se distinguir que um corpo 1, está mais quente que um corpo 2, e este mais quente que um corpo 3, etc. Temperatura ➢ No entanto por mais sensibilidade que o corpo humano possa ter, ele não consegue medir o valor dessa propriedade. Dessa forma é necessário lançar mão de dispositivos adequados (termômetros) e escalas de temperatura para quantificar adequadamente esta propriedade. Temperatura ➢ Quando um sistema quente entra em contato com um sistema frio, ocorre uma transferência de energia até que ambos atinjam o equilíbrio térmico, o qual é estabelecido pela igualdade de temperatura nos dois sistemas. Lei zero ➢ Quando dois corpos tem igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. ➢ Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro eles estão em equilíbrio entre si. Lei zero ➢ A lei zero define os medidores de temperatura: Sempre que um corpo tiver igualdade de temperatura com o termômetro pode-se dizer que o corpo apresenta a temperatura lida no termômetro. Lei zero Escalas de temperatura ➢ 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). ➢ 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. Escalas de temperatura Escalas de temperatura 𝑋 − 𝑃𝐺 𝑃𝑉 − 𝑃𝐺 = 𝐾 − 273,15 373,15 − 273,15 = ℃− 0 100 − 0 = ℉− 32 212 − 32 = 𝑅 − 491,67 671,67 − 491,67 Escalas de temperatura ATÉ A NOSSA PRÓXIMA AULA. Slide 1: Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Departamento de Engenharia Mecânica Disciplina: Termodinâmica Prof. Mara Nilza Estanislau Reis Slide 2: Cronograma Slide 3: Cronograma Slide 4: Cronograma Slide 5: Referência Bibliográfica Slide 6: O que é Termodinâmica? Slide 7: O que é Termodinâmica? Slide 8: O que é Termodinâmica? Slide 9: O que é Termodinâmica? Slide 10: O que é Termodinâmica? Slide 11: O que é Termodinâmica? Slide 12: O que é Termodinâmica? Slide 13: O que é Termodinâmica? Slide 14: O que é Termodinâmica? Slide 15: Conceitos e definições Slide 16: Conceitos e definições Slide 17: Conceitos e definições Slide 18: Conceitos e definições Slide 19: Conceitos e definições Slide 20: Conceitos e definições Slide 21: Conceitos e definições Slide 22: Conceitos e definições - exemplos Slide 23: Conceitos e definições - exemplos Slide 24: Conceitos e definições - exemplos Slide 25: Conceitos e definições - exemplos Slide 26: Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Slide 27: Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Slide 28: Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Slide 29: Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Slide 30: Visões macroscópicas e microscópicas da Termodinâmica Slide 31: Propriedade Slide 32: Propriedade Slide 33: Propriedade Slide 34: Propriedade Slide 35: Propriedade Slide 36: Massa específica e volume específico Slide 37: Massa específica e volume específico Slide 38: Estado e Processo Slide 39: Estado e Processo Slide 40: Estado e Processo Slide 41: Estado e Processo Slide 42: Tipos de processos Slide 43: Tipos de processos Slide 44: Ciclo termodinâmico Slide 45: Ciclo termodinâmico Slide 46: Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). Slide 47: Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). Slide 48: Equilíbrio (mecânico, térmico, de fase e químico). Slide 49: Sistemas de dimensões e unidades Slide 50: Sistemas de dimensões e unidades Slide 51: Sistemas de dimensões e unidades Slide 52: Sistemas de dimensões Slide 53: Sistemas de unidades Slide 54: Sistemas de unidades Slide 55: Sistemas de unidades mais comuns Slide 56: Sistemas de unidades mais comuns Slide 57: Fatores de conversão Slide 58 Slide 59: Pressão Slide 60: Pressão Slide 61: Pressão Slide 62: Pressão Slide 63: Pressão Slide 64: Pressão Slide 65: Equação da estática dos fluidos Slide 66: Teorema de Stevin Slide 67: Teorema de Stevin Slide 68: Teorema de Stevin Slide 69: Escalas de pressão Slide 70: Escalas de pressão Slide 71: Escalas de pressão Slide 72: Escalas de pressão Slide 73: Escalas de pressão Slide 74: Escalas de pressão Slide 75: Escalas de pressão Slide 76: Escalas de pressão Slide 77: Tubo piezométrico Slide 78: Tubo piezométrico Slide 79: Tubo piezométrico Slide 80: Tubo em “U” Slide 81: Tubo em “U” Slide 82: Exemplo Slide 83: Exemplo Slide 84: Temperatura Slide 85: Temperatura Slide 86: Temperatura Slide 87: Lei zero Slide 88: Lei zero Slide 89: Lei zero Slide 90: Escalas de temperatura Slide 91: Escalas de temperatura Slide 92: Escalas de temperatura Slide 93: Escalas de temperatura Slide 94