Termodinâmica Aplicada

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1 TERMODINÂMICA Disciplina: Terodinâica Professor: Caruso APLICAÇÕES I Motores de autoóveis Turbinas Bobas e Copressores Usinas Téricas (nucleares, cobustíveis fósseis, bioassa ou qualquer outra fonte térica) Sisteas de propulsão para aviões e foguetes

2 APLICAÇÕES II Sisteas de cobustão Sisteas criogênicos, separação de gases e liquefação Aqueciento, ventilação e ar condicionado Refrigeração (por copressão de vapor, absorção ou adsorção) Bobas de calor APLICAÇÕES III Sisteas de aproveitaento da energia Solar para aqueciento, refrigeração e produção de energia elétrica Sisteas energéticos alternativos Células de cobustível Dispositivos teroelétricos e tero iônicos Conversores agneto hidrodinâicos (MHD) 2

3 APLICAÇÕES I Sisteas Geotéricos Aproveitaento da energia dos oceanos (térica, das ondas, e das arés) Aproveitaento da energia dos ventos (energia eólica) Aplicações bioédicas Sisteas de suporte à vida Órgãos artificiais CALOR E TEMPERATURA Calor é energia e trânsito devido a ua diferença de teperatura. Sepre que existir ua diferença de teperatura e u eio ou entre eios ocorrerá transferência de calor. Está iplícito na definição que u corpo nunca conté calor, as calor é identificado co tal quando cruza a fronteira de u sistea. O calor é portanto u fenôeno transitório, que cessa quando não existe ais ua diferença de teperatura. 3

4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR I Condução Quando a transferência de energia ocorrer e u eio estacionário, que pode ser u sólido ou u fluido, e virtude de u gradiente de teperatura TRANSFERÊNCIA DE CALOR II Convecção Quando a transferência de energia ocorrer entre ua superfície e u fluido e oviento e virtude da diferença de teperatura entre eles, usaos o tero transferência de calor por convecção. 4

5 TRANSFERÊNCIA DE CALOR III Radiação Quando, na ausência de u eio interveniente, existe ua troca líquida de energia (eitida na fora de ondas eletroagnéticas) entre duas superfícies a diferentes teperaturas TERMODINÂMICA - OBJETIO A Terodinâica trata da relação entre o calor e as outras foras de energia A energia pode ser transferida através de interações entre o sistea e suas vizinhanças. Estas interações são denoinadas calor e trabalho 5

6 TEMPERATURA I Propriedade difícil de se definir Inicialente foi definida a partir da sensibilidade do Hoe Pode-se distinguir que o corpo está ais quente (ou frio) que o corpo 2 e este ais quente que o corpo 3, etc. A quantificação da diferença soente é possível através de instruentos (terôetros) TEMPERATURA II Assi coo Massa, Copriento e Tepo, é difícil dar ua definição de Teperatura e teros de conceitos independentes ou aceitos coo priários. No entanto é possível se chegar a u entendiento objetivo da IGUALDADE de teperaturas usando o fato de que quando a teperatura de u corpo uda, outras propriedades tabé uda. 6

7 TEMPERATURA III A edida de ua dessas propriedades, coo volue, resistência elétrica, pode ser associada a ua dada teperatura. O dispositivo que efetua essa edida é o terôetro. Se toaros dois blocos de cobre, u ais quente que o outro e colocaros os dois e contato, haverá interação entre eles e o bloco ais quente irá esfriar e o ais frio irá se aquecer. Quando as interações cessare as quantidades ensuráveis pararão de variar e os blocos estarão e equilíbrio térico e portanto à esa teperatura. TEMPERATURA I Lei Zero da Terodinâica Quando dois corpos estão e equilíbrio co u terceiro corpo eles estarão tabé e equilíbrio entre si. 7

8 TERMÔMETROS São dispositivos que eprega ua substância ("teroétrica") que possui pelo enos ua propriedade variável co a teperatura. de líquido e bulbo (volue): uito preciso; de gás a volue constante (hidrogênio ou hélio) (pressão): padrão internacional para deterinadas faixas de teperatura; teropares (fe - força eletrootriz); teristores (resistência elétrica); pirôetros (radiação térica). ESCALA DE TEMPERATURA Escala Kelvin (SI) Ponto fixo padrão: ponto triplo da água (equilíbrio entre gelo, água e vapor d'água) = 273,6 K (pressão = 0,63 Pa = 0,006 at). Estabelecido por acordo internacional - facilente reprodutível. Ponto de gelo (equilíbrio entre gelo, água e ar a atosfera): 273,5 K. Ponto de vapor (equilíbrio entre a água líquida e seu vapor a at): 373,5K. Intervalo entre ponto de gelo e ponto de vapor = 00 K. 8

9 OUTRAS ESCALAS CELSIUS: T( o C) = T(K) - 273,5 RANKINE: T( o R) = 9/5 T (K) FAHRENHEIT: T( o F) = T( o R) - 459,67 T ( F) = 9/5 T( C) + 32 Exercício Ebora pareça ipossível atingir-se o zero absoluto, teperaturas tão baixas quanto 0, K fora alcançadas e laboratórios. Isso seria suficiente para todos os fins práticos? Por quê os físicos deveria (coo o faze) tentar obter teperaturas ainda ais baixas? 9

10 Exercício Solução Porque a teperaturas uito baixas os ateriais exibe propriedades não observadas a teperaturas usuais. A supercondutividade é u exeplo dessas propriedades A otivação desse tipo de pesquisa está no fato de se poder encontrar novos fenôenos nas propriedades físicas dos ateriais A tentativa de se reduzir os liites físicos conduz ao desenvolviento de instruentos ais sofisticados Exercício 2 U teropar é forado por dois etais diferentes, conectados e dois pontos, de odo que ua pequena tensão é produzida quando as duas juntas estão e teperaturas diferentes. Nu teropar de ferro-constantan, co ua junção antida a 0 o C, a tensão varia linearente de 0 a 28 à edida que a outra teperatura varia entre 0 e 50 O C. Deterinar a teperatura da junta variável quando a tensão edida for 0,2 0

11 Exercício 2 Solução Coo a tensão de saída varia linearente co a teperatura T, podeos escrever: = a + b T () ( a e b são constantes) Os pontos fornecidos perite deterinar as constantes: = 0 quando T = 0 o C; substituindo na (), ve que a = 0 = 28 quando T = 50 o C portanto b = 0,0549 / o C Para = 0,2, T = 85,8 o C Exercício 3 A que teperatura os seguintes pares de escalas serão nuericaente iguais: Fahrenheit e Celsius Fahrenheit e Kelvin Celsius e Kelvin

12 Exercício 3 Solução Fahrenheit e Celsius T F = 9/5 T C + 32 Coo T F = T C T F = 9/5 T F + 32 ou T F = - 40 Fahrenheit e Kelvin T = 9/5 (T 273,5) + 32 T = 574,5875 Celsius e Kelvin Coo as duas escalas se relaciona linearente confore a lei T C = T 273,5, não há teperatura e que as leituras seja nuericaente iguais **** 2

13 Definições Sistea Identifica o objeto da análise Corpo livre Tanque de paredes rígidas Tubulação onde u fluido escoa Refinaria inteira izinhança Tudo o que é externo ao sistea Fronteira Lugar real ou iaginário que separa o Sistea de sua izinhança Definições Sistea fechado Há ua quantidade fixa de atéria A assa sob análise não entra, ne sai Fronteira GÁS W Q izinhança olue de controle Região do espaço através da qual ocorre fluxo de assa 3

14 Definições Propriedade É qualquer característica ensurável da substância estudada Propriedade intensiva É a que independe da quantidade de assa e estudo Ex.: teperatura, pressão, densidade Propriedade extensiva É a que depende da quantidade de assa e estudo Ex.: Entalpia, energia interna, volue, entropia Obs: Ua propriedade extensiva vira intensiva, quando expressa por unidade de assa Definições Fase Ua fase é definida coo ua quantidade de atéria totalente hoogênea A água está na fase líquida tal coo ela sai de ua torneira. Ela está na fase sólida tal coo se apresenta e cubos de gelo e na fase vapor (gasosa), tal coo sai da válvula de ua panela de pressão Estado É a condição terodinâica de u sistea. E cada fase podeos ter ua infinidade de estados E cada fase a substância pode existir subetida a diversos valores de pressão, teperatura, volue, energia interna, entalpia e etc. O conjunto de duas ou três dessas propriedades define o estado 4

15 Definições Processo é o cainho definido pela sucessão de estados através do quais a substância passa ao sair de u estado inicial e chegar a u estado final. Quando uda ua ou ais propriedade de ua substância, dizeos que ocorreu ua udança de estado. CICLO U sistea executa u ciclo quando sai de u deterinado estado inicial, passa por diversos outros estados ou processos e finalente retorna ao estado inicial. OBS: Ua propriedade de ua substância te valor único e cada estado que se encontra e independe do cainho que percorreu até se encontrar naquele estado d d 2 2 dh H ds S 2 2 H S Definições Trabalho Força produzindo o deslocaento de u corpo, sendo que o deslocaento acontece da direção da força W 2 2 FdX F p A W d AdX W p AdX 2 pd 5

16 Definições Energia interna (U) É a soa de todas as foras de energia icroscópicas tais coo energia cinética e potencial das oléculas que copõe u sistea U = u Onde: assa u energia interna por unidade de assa Definições Entalpia (H) Ao analisar certos processos terodinâicos, freqüenteente encontraos a cobinação da propriedade Energia Interna (U) co o produto (P) que tabé é ua propriedade energética da substância Esta cobinação de propriedades foi denoinada de Entalpia H U + P h u + Pv H = h 6

17 Definições ENTROPIA (S) É a edida do grau de desorde das oléculas de ua substância O grau de desorde está relacionado co os ovientos de translação, rotação e vibração dos átoos e oléculas das substâncias Conseqüência S gás > S líquido > S sólido Definições Título (x) Propriedade terodinâica intensiva definida pela razão entre a assa de vapor pela assa de istura vaporlíquido quando ua substância está e estado de saturação Líquido : x = 0 apor : x = x T v L v v L v T 7

18 8 Exercício 4 Dado que Mostrar que L t v x v x v L T x Exercício 4 Solução L T T L L T T L L T L L T T L T L T v x v x v v v v v v v v v x

19 Definições Propriedades específicas u, h, s, u, u L, h, h L, s e s L são obtidas das tabelas de propriedades terodinâicas das substâncias que constitue o fluido operante do sistea térico e estudo. Tabelas Exercício 5 Deterinar o volue específico do vapor a 00 o F, tendo-se u título de 70%, no SI v T = v L + x v L v T = 6, ,7 349,984 v T = 245,005 ft 3 /lb v T = 5,295 3 /kg Tabelas 9

20 Exercício 6 Deterinar: teperatura de saturação, volue específico, entalpia, energia interna e a entropia do vapor a 3,75 bar, tendo-se u título de 00% Exercício 6 Solução I Note-se que a tabela não traz os valores procurados (3,75 bar), daí a necessidade de se interpolar os valores: 3,5 38,9 0, ,4 2546,9 6, ,6 0, ,6 2553,6 6,8959 x 0 f 0 x f p x f A interpolação é conseguida considerando-se (f 0 e f são os valores tabulados consecutivos): fazendo : p f p x x f 0 x0 x te se : p p f 0 20

21 Exercício 6 Solução II Deterinação da teperatura de saturação: x 0 = 3,5 f 0 = 38,9 x = 3,75 f p =? x = 4 f = 43,6 p = 0,5 f p = 4,7 o C Deterinação do valores restantes: v v = 0, /kg h v = 2735,5 kj/kg u v = 2550,25 kj/kg s v = 6,982 kj/(kg K) o Princípio Princípio da conservação da energia A variação da energia interna de u sistea é dada pela diferença entre o calor trocado (Q) co o eio externo e o trabalho () realizado. U = Q - 2

22 Transforação isobárica Nas expansões gasosas o volue do gás auenta, ele próprio epurra o êbolo ou pistão, realizando trabalho positivo. Nas copressões gasosas o volue do gás diinui, o eio externo epurra o êbolo ou pistão contra o gás, realizando trabalho negativo. OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Isoétrica, isocórica, isovoluétrica = p. = 0 J, pois o volue é constante Q = U Isotérica Lebrando que: U = 3/2. n. R. T U = 0 joules, pois a teperatura é constante Q = 22

23 OUTRAS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Cíclica A pressão varia, então só é possível calcular o trabalho através da área do gráfico (pressão x volue). Se o ciclo for horário: trabalho positivo; trabalho realizado pelo gás (o volue auenta). Se o ciclo for anti-horário: trabalho negativo; trabalho realizado sobre o gás (o volue diinui). U = 0 J: pois o ciclo retorna para o eso ponto de partida, ou seja, para a esa teperatura. 23

24 2 Princípio da Terodinâica Lord Kelvin enunciou o 2 Princípio da Terodinâica, tabé conhecido coo Princípio da Degradação da Energia É ipossível construir ua áquina que, operando e ciclos, retire calor de ua fonte quente e o transfore integralente e trabalho. Máquina 00% 24

25 Prieiro autoóvel Locoobile 900 otor a vapor de dois cilindros 25

26 Motor de 4 tepos : A aioria dos autoóveis. Motor de 4 tepos : A aioria dos autoóveis. 26

27 Motor de dois tepos Ciclo de Carnot No início do século XlX, Sandi Carnot preocupava-se co o rendiento das áquinas téricas, e sua obra Reflexões sobre a força otriz do fogo afirava que o rendiento de ua áquina térica era função única das teperaturas das fontes frias e quente. O ciclo para a obtenção do áxio rendiento de ua áquina térica proposto por Carnot, é constituído de duas transforações isotéricas, intercaladas co duas transforações adiabáticas. 27

28 Ciclo de Carnot E seus estudos, Carnot deonstrou que as quantidades de calor trocadas pelas fontes e o eio externo são proporcionais às respectivas teperaturas absolutas ( e Kelvin ) das fontes. Toda áquina que puder operar obedecendo o ciclo de Carnot terá rendiento aior que qualquer outra que esteja operando entre as esas fontes, poré nunca igual a 00 %. Geladeira São áquinas téricas cujo funcionaento consiste e retirar calor da fonte fria (congelador) e rejeitá-lo à fonte quente ( eio abiente ). Tal dispositivo não contraria o enunciado da espontaneidade do fluxo de calor enunciado por Clausius, pois a passage não é espontânea, ocorrendo à custa de u trabalho realizador por u copressor elétrico. 28

29 Degradação da energia - entropia É u fato observado que, através do Universo, que a energia tende a ser dissipada de tal odo que a energia total utilizável se torna cada vez ais desordenada e ais difícil de captar e utilizar. À edida que ocorre os processos naturais, apesar da a energia total se conservar, ocorre ua diinuição na possibilidade de se obter energia útil. Ou seja, a energia utilizável degrada-se para ua fora enos nobre de energia, a energia de agitação olecular (energia térica). Degradação da energia - entropia A energia de agitação olecular é considerada ua energia pouco nobre, pois é desordenada ou desorganizada. Sendo assi, a evolução do Universo leva a u auento na desorde, ou seja, os processos naturais tende a auentar a desorde no Universo. 29

30 Degradação da energia - entropia E 860, Clausius criou o conceito de entropia ( palavra de orige grega que significa udança de fora ) visando caracterizar essa tendência natural de evolução do Universo. O fato de a entropia do Universo auentar continuaente, leva alguns autores a sugerir que o Universo cainha para ua espécie de orte pelo calor, u estado de entropia áxia quando toda energia existente não seria utilizável, pois estaria sob a fora de energia de agitação olecular (energia térica). Degradação da energia - entropia Exeplo de Entropia: Quando conduzios u autoóvel a energia arazenada na gasolina é convertida e calor por cobustão e, depois, e energia ecânica, no otor. A energia ecânica, ordenada, assi produzida, dá orige ao oviento controlado e ordenado do carro. Parte dessa energia foi irrevogavelente dissipada sob a fora de calor, na estrada, coo resultado do atrito dos pneus, no aqueciento do ar por eio da exaustão de gases e para vencer a resistência do vento, e jaais será aproveitada. 30

31 Tabelas: vapor d água (sist. Inglês) Teperatura Pressão olue específico Entalpia Energia interna Entropia t pa v L x0 3 v L ν h L h L h u L u s L s ft 3 /lb BTU/lb BTU/lb BTU/(lb x R) F psia Líquido Líquido & vapor apor Líquido Líquido & vapor apor Líquido apor Líquido apor 32,08 0, , , ,0 075,4 075,4 0,00 02,2 0, , ,266 6, , ,02 070,9 078,9 8,02 023,9 0,067 2, ,2563 6, , ,9 28,08 059,6 087,7 28,08 030,4 0, , ,5073 6, , ,8 48,09 048,3 096,4 48,08 037,0 0, , ,9503 6,30 349, ,05 037,0 05,0 68,04 043,5 0,2963,9822 Pressão Teperatura olue específico Entalpia Energia interna Entropia pa t v L x0 3 v L ν h L h L h u L u s L s ft 3 /lb BTU/lb BTU/lb BTU/(lb x R) psia F Líquido Líquido & vapor apor Líquido Líquido & vapor apor Líquido apor Líquido apor 0,70 6,36 333, ,60 69,7 036,0 05,8 69,7 044,0 0,3266, ,2 6,407 73,54 73,53 30,2 000,9 3,0 30,2 063,0 0,23486, ,9 6,590 38,403 38,42 6,2 982, 43,3 6,2 072,2 0,28358,7877 4,696 2,99 6,75 26,783 26,80 80,2 970,4 50,5 80, 077,6 0,322, ,96 6,830 20,073 20,09 96,3 960, 56,4 96,2 082,0 0,33580,7320 Tabela: vapor d água (SI) Pressão Teperatura olue específico Entalpia Energia interna Entropia pa t v L x0 3 v L ν h L h L h u L u s L s 3 /kg kj/kg kj/kg kj/kg x K bar,abs o C Líquido Líquido & vapor apor Líquido Líquido & vapor apor Líquido apor Líquido apor 2,5 27,4,0672 0,776 0, ,37 28,5 276,9 535, 2537,2,6072 7, ,6,0732 0,6047 0, ,47 263,8 2725,3 56,5 2543,6,678 6,999 3,5 38,9,0786 0,5232 0, ,33 248, 2732,4 583, ,9,7275 6, ,6,0836 0,464 0, ,74 233,8 2738,6 604,3 2553,6,7766 6,8959 4,5 47,9,0882 0,429 0, ,25 220,7 2743,9 622, ,6,8207 6,8565 3