Termodinâmica Aplicada

Transcrição

1 Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Aplicações da Termodinâmica Mônica L. Aguiar Caliane B. B. Costa Termodinâmica Aplicada

2 Termodinâmica Aplicada

3 Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Marcia Rozenfeld G. de Oliveira Sandra Abib Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) uab@ufscar.br

4 Mônica Lopes Aguiar Caliane Bastos Borba Costa Termodinâmica Aplicada 2011

5 2011, Mônica Lopes Aguiar e Caliane Bastos Borba Costa Concepção Pedagógica Daniel Mill Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.

6 SUMÁRIO Apresentação Unidade 1: Introdução 1.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Um pouco de história Conceitos básicos Dimensões e unidades Sistemas termodinâmicos e volume de controle Estado e propriedade termodinâmica de substância pura Processos e ciclos Considerações finais Estudos complementares Unidade 2: Primeira Lei da Termodinâmica 2.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Experiência de Joule Trabalho, calor e energia Trabalho

7 2.4.2 Calor Taxa de transferência de calor Comparação entre calor e trabalho Energia total Enunciado da Primeira Lei: energia interna e entalpia A Primeira Lei da Termodinâmica Energia interna Entalpia A Primeira Lei em termos de fluxos de energia Calores específicos ou capacidade calorífica Equação da continuidade: conservação da massa A Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos Considerações finais Estudos complementares Unidade 3: Propriedades volumétricas de fluidos puros 3.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Substâncias puras Comportamento pvt de substâncias puras Superfícies termodinâmicas Tabelas de propriedades termodinâmicas Estado e propriedades para sistemas bifásicos L-V Relação pvt para gás ideal

8 3.4 Equação de estado Equação do virial Equações de estado do terceiro grau (cúbicas) Comportamento dos líquidos Considerações finais Estudos complementares Unidade 4: A Segunda Lei da Termodinâmica 4.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica Máquinas térmicas Refrigeradores térmicos simples Reversibilidade O ciclo de Carnot Considerações finais Estudos complementares Unidade 5: Entropia 5.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Desigualdade de Clausius Entropia como uma propriedade termodinâmica

9 5.4.1 O ciclo de Carnot em um diagrama T-s Mudança de estado na saturação Gases ideais e a Segunda Lei Processo em volume constante Processo em pressão constante Processo em temperatura constante Processos genéricos de p 1, v 1, T 1 a p 2, v 2, T Trabalho reversível Processo reversível adiabático Trabalho perdido Princípios de aumento de entropia Considerações finais Estudos complementares Unidade 6: Termodinâmica dos processos de escoamento 6.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Equações fundamentais Conservação de massa Conservação de energia Balanço de entropia Bocais Processos de estrangulamento Turbinas (expansores) Compressores Ejetores Considerações finais

10 6.5 Estudos complementares Unidade 7: Ciclos termodinâmicos 7.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Introdução aos ciclos de potência O ciclo de Rankine ideal O ciclo de refrigeração de Rankine Dispositivos a gás de único passe Motor a gasolina ideal: o ciclo Otto Motores a diesel ideais: o ciclo Diesel Comparação entre os motores a gasolina e a diesel Turbina a gás (ciclo Brayton ou Joule) Considerações finais Estudos complementares

11

12 Referências Apresentação O objetivo deste livro é apresentar um tratamento introdutório da Termodinâmica e, de maneira simples, favorecer a compreensão de suas leis e aplicações. A Unidade 1 apresenta as definições básicas e a Unidade 2 traz o desenvolvimento da Primeira Lei aplicada a processos estáticos e em escoamento permanente. A Unidade 3 trata do comportamento dos fluidos em função da pressão, do volume e da temperatura, possibilitando a aplicação da Primeira Lei a problemas práticos importantes. As demais unidades analisam a Segunda Lei e algumas de suas aplicações. Dessa forma, as unidades cobrem os fundamentos da Termodinâmica de substância pura e permitem sua aplicação aos processos de escoamento, de produção de energia e de refrigeração, tópicos de grande importância para o uso mais eficiente da energia, que se torna cada vez mais escassa. Embora este livro tenha muitos assuntos em nível introdutório, seu conteúdo é razoavelmente amplo. Por isso, pode ser usado, mediante uma escolha apropriada de unidade e seções, em cursos de diversos tipos, em níveis menos ou 11