Curso engenharia de Energia

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS - UFGD FACULDADE DE ENGENHARIA Curso engenharia de Energia Prof. Dr. Omar Seye omarseye@ufgd.edu.br

2 Disciplina: COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS

3 Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia Todo e qualquer fenômeno que acontece na natureza necessita de energia para ocorrer. A vida, como a conhecemos, requer basicamente matéria e energia. Em qualquer sistema natural, matéria e energia são conservadas, ou seja, não se criam nem se destroem matéria nem energia. Duas leis da física explicam esse comportamento: a lei da conservação da massa e a lei da conservação da energia ou primeira lei da termodinâmica. A segunda lei da termodinâmica: A qualidade da energia sempre se degrada de maneiras mais nobres (maior qualidade) para maneiras menos nobres (menor qualidade).

4 Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia Lei da conservação da massa Em qualquer sistema, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina matéria, apenas é possível transformá-la de uma forma em outra. Tudo que existe provém de matéria preexistente, só que em outra forma, assim como tudo o que se consome apenas perde a forma original, passando a adotar uma outra. Tudo se realiza com a matéria que é proveniente do próprio planeta, apenas havendo a retirada de material do solo, do ar ou da água, o transporte e a utilização desse material para a elaboração do insumo desejado. podendo muitas vezes ser reutilizado.

5 Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia Lei da conservação da massa Esta lei explica também um dos grandes problemas com o qual nos defrontamos atualmente: a poluição ambiental. O fato de não ser possível consumir a matéria até sua aniquilação implica a geração de resíduos em todas as atividades dos seres vivos, Esses resíduos indesejáveis a quem os eliminou, mas que podem ser reincorporados ao meio, para serem posteriormente reutilizados. Esse processo denomina-se reciclagem e ocorre na natureza por meio dos ciclos biogeoquímicos, nos quais interagem mecanismos biogeoquímicos que tornam os resíduos aproveitáveis em outra forma.

6 Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia Lei da conservação da massa Quando não existe um equilíbrio entre consumo e reciclagem, podem advir conseqüências desastrosas ao meio ambiente. Atualmente, o mundo vive em plena era do desequilíbrio, uma vez que os resíduos são gerados em rumo muito maior que a capacidade de reciclagem do meio. A Revolução Industrial introduziu novos padrões de geração de resíduos, que surgem em quantidades excessivamente maiores que a capacidade de absorção e reciclagem da natureza (materiais sintéticos não-biodegradáveis).

7 Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia Não existe processo 100% eficiente. Em qualquer sistema, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina matéria; apenas é possível transformá-la de uma forma em outra. Lei da conservação da massa Sempre haverá geração de resíduos indesejáveis em todas as atividades dos seres vivos. Poluição ambiental (água, solo e ar). Desequilíbrio: geração de resíduos maior do que a capacidade de reciclagem do meio.

8 Introdução: Primeira lei da Termodinâmica Análogo à conservação da massa. A energia pode se transformar de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída. As diversas formas de energia podem ser enquadras genericamente: Energia cinética energia que a matéria adquire em decorrência de sua movimentação e em função de sua massa e velocidade. No caso da energia cinética total das moléculas de uma amostra de matéria é denominada energia calorífica. Energia potencial energia armazenada na matéria em razão de sua posição ou composição. Exemplo: energia armazenada nos combustíveis fósseis, nos alimentos etc. é classificada como energia potencial.

9 Introdução: Primeira lei da Termodinâmica Assim sendo, é possível verificar que determinada parte de um sistema sofreu variação em sua energia total. Entretanto, as partes vizinhas também podem ter sofrido variações, de tal modo que o conjunto, formado por todas essas partes, pode não ter apresentado variação alguma.

10 1.1 Calor 1 CALOR E TEMPERATURA É uma forma de energia que se propaga de um corpo para outro, quando entre eles há diferença de temperatura. O calor pode ser obtido de várias maneiras: Atrito entre dois corpos; Resistência elétrica queima de combustíveis; Aquecimento provocado pelo sol (energia solar) 1.2 Troca e propagação do calor Sendo uma modalidade de energia, o calor poderia ser medido em Joule [J]. Porém, é comum a utilização da caloria [cal]. 1 [cal] = 4,186 [J] 1 [kcal] = [cal]

11 1 CALOR E TEMPERATURA Capacidade térmica de um corpo É o quociente entre a quantidade de calor Q recebido ou cedido por um corpo e a correspondente variação de temperatura T. A unidade de capacidade térmica é [cal/ o C] C = Q / T ; C = capacidade térmica [cal/ o C] Q = quantidade de calor [cal] A capacidade térmica de um corpo representa a quantidade de calor necessária para a temperatura do corpo varie de 1 [ o C].

12 1 CALOR E TEMPERATURA Calor específico de uma substância A capacidade térmica de um corpo, vai depender da massa do corpo e de uma constante C p, denominada de calor especifico. C = m * C p C p = calor especifico [cal/g * o C] m = massa [g] Como C = Q/ T teremos m * C p = Q / T ou seja C p = Q /m* T Desta forma, é igual à quantidade de calor que deve ser cedida a 1 [g] de uma substância para provocar nela uma variação de temperatura de 1 [ o C]

13 1 CALOR E TEMPERATURA Equação fundamental da calorimetria Consideremos um corpo de massa m à temperatura inicial T i. Fornecendose uma quantidade de calor Q a esse corpo, suponha que sua temperatura aumento até T f. A experiência mostra que a quantidade de calor Q é proporcional à massa e à variação de temperatura (T f T i ); logo: Q = m * C p * (T f T i ) Q = m * C p * T C p = calor especifico [cal/g * o C] m = massa [g] T = variação de temperatura [ o C] Q = quantidade de calor [cal] Observação: Se T f > T i o corpo recebe calor, isto é, Q > 0 Se T f < T i o corpo cede calor, isto é, Q < 0 O produto m * C p é a capacidade térmica do corpo; logo: C = m* C p

14 1 CALOR E TEMPERATURA Exercício: Calcular a quantidade de calor necessária para elevar uma massa de 500 gramas de ferro de 15 o C para 85 o C. O calor especifico do ferro é igual a 0,114 [cal/g * o C]

15 1 CALOR E TEMPERATURA Resolução: Se massa de ferro aumenta de temperatura o calor é sensível; logo: Q = m * C p * (T f T i ) = 500[g]*0,114 [cal/g * o C]*(85-15)[ o C] = [cal] Portanto, a quantidade de calor recebida pelo ferro é de [cal]

16 2 TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA POR CALOR A quantidade designada por Q é responsável pela energia transferida para um sistema fechado durante um processo através de outro meio que não é o trabalho. Baseado se na experiência, sabe-se que tal transferência de energia é induzida apenas como resultado de uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança, e ocorre somente na direção decrescente de temperatura. Este meio de transferir energia é chamado de transferência de energia através de calor. Devido à importância deste conceito em Termodinâmica aplicada à Engenharia, esta seção é dedicada a uma consideração adicional a transferência de energia por calor.

17 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Métodos baseados na experiência estão disponíveis para avaliar a transferência de energia sob a forma de calor. Estes métodos reconhecem dois mecanismos de transferência; condução e radiação térmicas. Além disso, relações empíricas estão disponíveis para avaliar a transferência de energia que envolve certos modos combinados. Uma breve descrição de cada um destes métodos é dada a seguir. Considerações mais detalhadas são deixadas para um curso de transferência de calor aplicada à Engenharia, quando estes tópicos são estudados em profundidade

18 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONDUÇÃO A transferência de energia por condução pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases. A condução pode ser imaginada como a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para as partículas adjacentes que são menos energéticas, devido a interações entre as partículas. A taxa temporal de transferência de energia por condução é quantificada macroscopicamente pela lei de Fourier. Como uma aplicação elementar, considere a figura que mostra uma parede plana de espessura L em regime permanente, onde a temperatura T x varia linearmente com a posição x.

19 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONDUÇÃO Pela lei de Fourier, a taxa de transferência de calor através de qualquer plano normal à direção x,, é proporcional à área da parede, A, e ao gradiente de temperatura na direção x, dt/dx. Em que a constante de proporcionalidade k é uma propriedade chamada de condutividade térmica. O sinal negativo é uma conseqüência da transferência de energia na direção decrescente da temperatura.

20 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONDUÇÃO Por exemplo, neste caso a temperatura varia linearmente; portanto, o gradiente de temperatura é: E a taxa de transferência de calor na direção x é, então:

21 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR RADIAÇÃO A radiação térmica é emitida pela matéria como resultado de mudança na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas no seu interior. A energia é transportada por ondas eletromagnéticas (ou fótons). Diferentemente da condução, a radiação térmica não depende de nenhum meio para propagar-se e pode até mesmo ocorrer num acuo. As superfícies sólidas, gasosas e líquidas emitem, absorvem e transmitem radiação térmica em vários grau. A taxa na qual a energia é emitida, Q e, a partir de uma superfície de área A é quantificada macroscopicamente por uma forma modifica da lei de Stefan-Boltzmann Que mostra que a radiação térmica está associada à quarta potência da temperatura absoluta da superfície, T b.

22 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR RADIAÇÃO A emissividade,, é uma propriedade da superfície que indica a eficiência da superfície irradiante, e é a constante de stefan-boltzmann. Em geral, a taxa líquida de transferência de energia por radiação térmica entre duas superfícies envolve relações entre as propriedades das superfícies, suas orientações em relação às outras, a extensão na qual o meio de propagação espalha, emite e absorve radiação térmica, e outros fatores.

23 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONVECÇÃO A transferência de energia entre uma superfície sólida a uma temperatura T b e um gás ou líquido adjacente em movimento a uma outra temperatura T f tem um papel importante no desempenho de muitos dispositivos de interesse prático. Esta transferência é comumente denominada convecção. Como ilustração: T b > T f, neste caso, a energia é transferida no sentido indicado pela seta devido aos efeitos combinados da condução no ar e do movimento global de ar.

24 2.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONVECÇÃO A taxa de transferência de energia da superfície para o ar pode ser quantificada pela seguinte expressão : Conhecido como lei de resfriamento de Newton. Nesta equação A é a área da superfície, e o fator de proporcionalidade h é chamada de coeficiente de transferência de calor