Disciplina : Termodinâmica. Aula 13 Análise da massa e energia aplicadas a volumes de controle - Regime Transiente

Transcrição

1 Disciplina : Termodinâmica Aula 13 Análise da massa e energia aplicadas a volumes de controle - Regime Transiente Prof. Evandro Rodrigo Dário, Dr. Eng.

2 Processos que envolvem mudanças no volume de controle com o tempo são chamados de processos em regime transiente. Quando um processo em regime transiente é analisado, é importante manter o controle da quantidade de massa e energia do volume de controle, bem como as trocas de energia entre ele e sua vizinhança.

3 Alguns processos transiente mais comuns são: Carregamento de reservatórios rígidos a partir de linhas de abastecimento; Descarregando um fluido a partir de um recipiente pressurizado; Funcionamento de uma turbina a gás com ar comprimido armazenado em um grande recipiente; Pneus ou balões ao serem inflados; Cozinhar com uma panela de pressão normal.

4 Ao contrário de processos em regime permanente, processos transiente começam e terminam durante algum período de tempo finito em vez de continuar indefinidamente. Portanto, lidamos com as mudanças que ocorrem ao longo de um intervalo de tempo Δt. Um sistema transiente, em alguns aspectos, é semelhante a um sistema fechado, exceto que a massa dentro da fronteira do sistema não permanece constante durante o processo.

5 Outra diferença entre os sistemas abertos em regime permanente e regime transiente é que os sistemas de regime permanente seu tamanho e forma não se alteram. Sistemas em regime transiente, no entanto, podem envolver fronteiras móveis e assim realizam trabalho de fronteira.

6 O balanço de massa para qualquer sistema de sofrer qualquer processo pode ser expressa como onde m ent m sai = m sistema Para volumes de controle, ela também pode ser expressa mais explicitamente como

7 O conteúdo energético de um volume de controle muda com o tempo durante um processo em regime transiente. A magnitude das mudanças depende Da energia transferida na forma de calor e de trabalho através da fronteira do sistema; Da energia transportada para dentro e para fora do volume de controle pelos fluxos de massa durante o processo. O balanço energético geral foi dado anteriormente como

8 Processos em regime transiente no geral são difíceis de analisar, porque as propriedades da massa nas entradas e saídas podem se alterar durante um processo. A maioria dos processos em regime transiente podem ser razoavelmente bem representados por processos de fluxo constante, o qual envolve a idealização seguinte: A vazão mássica em qualquer entrada ou saída é uniforme e constante, e as propriedades do fluido não se alteram com o tempo, ou posição ao longo da secção transversal de uma entrada ou de saída.

9 O balanço de energia para um sistema uniforme de fluxo pode ser expressa de forma explícita como onde é a energia de uma corrente de fluido em qualquer entrada ou saída por unidade de massa. é a energia do fluido estático no interior do volume controle por unidade de massa.

10 Quando as variações de energia cinética e potencial associados aos ao volume de controle e aos fluxos de massa são desprezíveis, o balanço energético simplifica para onde é a entrada líquida de calor é a saída líquida de trabalho

11 Exemplo 1: Carregando um tanque rígido com vapor d água Um tanque rígido e isolado, inicialmente vazio, é conectado por meio de uma válvula a uma linha de alimentação que transporta vapor de água a 1 MPa e 300 C. A válvula é então aberta e o vapor escoa lentamente para o tanque até que a pressão atinja 1 MPa, quando a válvula é fechada. Determine a temperatura final do vapor no tanque. Hipóteses adotadas: 1 Escoamento em regime permanente, as propriedades do vapor que entra no volume de controle permanecem constantes durante todo o processo. 2 As perdas de calor do sistema são desprezíveis, Q = 0, sistema isolado termicamente. 3 Variação da energia cinética e potencial da corrente do fluido são desprezíveis, ep ec 0 4 O tanque é estacionário e, portanto, a variação das energias cinética e potencial é zero; ou seja, EC = EP = 0 e E Sistema = U Sistema 5 Não existe interação de trabalho, W = 0

12 Exemplo 2: Descarga de ar aquecido a uma temperatura constante Um tanque rígido e isolado de 8 m 3 contém ar a 600 kpa e 400K. Uma válvula conectada ao tanque é aberta, e permite-se que o ar escape até que pressão interna caia para 200 kpa. A temperatura do ar durante o processo é mantida constante por um aquecedor elétrico colocado no tanque. Determine a energia elétrica fornecida ao ar durante esse processo. Hipóteses adotadas: 1 Este é um processo em regime transiente 2 As perdas de calor do sistema são desprezíveis, Q = 0, sistema isolado termicamente. 3 Variação da energia cinética e potencial da corrente do fluido são desprezíveis, ep ec 0 4 ar é um gás ideal com calores específicos variáveis

13 Problemas propostos: Capítulo 5: 123; 130; 138; 140; 141; 142; 153. Çengel, Yunus A. Termodinâmica. 7. ed.