MÁQUINAS TÉRMICAS E DE FLUXO Prof. Dr. Charles Assunção

Transcrição

1 MÁQUINAS TÉRMICAS E DE FLUXO Prof. Dr. Charles Assunção

2 CONTEÚDO Energia Trabalho Calor 1º lei da termodinâmica

3 ENERGIA Definição: capacidade de produzir um efeito Formas: térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, química e nuclear Energia macroscópica: relacionada com algum referencial externo Energia microscópica: relacionada à estrutura molecular do sistema (independente do referencial externo). Energia interna: soma de todas as energias microscópicas

4 ENERGIA TOTAL : energia interna : energia cinética : energia potencial

5 TRABALHO O trabalho pode ser definido como uma força F agindo ao longo de um deslocamento x. Definição termodinâmica: um sistema realiza trabalho se o único efeito sobre o meio puder ser o levantamento de um peso.

6 TRABALHO Exemplo de trabalho atravessando a fronteira de um sistema Fonte: Wylen; Sonntag; Borgnakke. Fundamentos da termodinâmica. Blucher.

7 TRABALHO DEVIDO AO MOVIMENTO DE FRONTEIRA Trabalho em um processo quase estático Fonte: Wylen; Sonntag; Borgnakke. Fundamentos da termodinâmica. Blucher.

8 CALOR É uma forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema para outro sistema em virtude da diferença de temperatura entre eles

9 CALOR : massa [kg] : é o calor específico [kj/kg C] : é a diferença de temperatura [ C]

10 CALOR ESPECÍFICO É definido com a energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância. Caloria é definida como a energia necessária para aquecer 1 g de água de 14,5 C para 15,5 C. 1 cal = 4,1868 J Fonte:

11 CALOR ESPECÍFICO Fonte:

12 CONSIDERAÇÕES SOBRE TRABALHO E CALOR São fenômenos transitórios. Os sistemas não possuem calor ou trabalho, mas eles atravessam a fronteira do sistema quando ocorre alguma variação no estado do sistema São fenômenos de fronteira e representam uma forma de transferência de energia

13 5) Se as massas das duas substâncias do exercício anterior fossem dobradas, o que ocorreria com o calor específico e com a energia necessária para realizar cada processo? 1) Um reservatório com capacidade de 200 l está cheio de água a 25 C. A água é utilizada em um processo de limpeza a 90 C. Determine a quantidade de calor que será gasto para aquecer a água em joule. 2) Se o aquecimento do exercício anterior deve ser realizado em 30 minutos, qual é a potência nominal do aquecedor em watt? 3) Refaça o exercício considerando que o fluido seja álcool (c = 0,6 cal/g C). 4) Avalie os gráficos de aquecimento abaixo e determine o calor específico de cada substância Substância A: massa 0,2 kg Substância B: massa 0,75 kg

14 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Qual é a variação de objetos dentro do retângulo? Estado 1 Entrada Saída Estado 2 Entrada Saída

15 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA A variação de energia de um sistema pode ser expressa das seguintes formas: ou Quais são as formas de transferir energia?

16 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UM CICLO

17 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UM CICLO

18 CICLO DE MÁQUINA TÉRMICA Motor térmico ou refrigerador Fonte: Wylen; Sonntag; Borgnakke. Fundamentos da termodinâmica. Blucher.

19 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UM SISTEMA FECHADO Calor ( ) Trabalho ( ) + - Sistema Fechado - +

20 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA EM TERMOS DE TAXA 1º lei em termos de energia 1º lei em termos de taxa de transferência de energia (potência):

21 1) Um fluido contido em um tanque é movimentado por um agitador. O trabalho fornecido ao agitador é 5090 kj e o calor transferido do tanque é 1500 kj. Determine a variação de energia do sistema neste processo. 2) Um pistão com massa 0,5 kg e diâmetro 100 mm está inicialmente em equilíbrio com a água no interior de um cilindro. A massa de água dentro do cilindro é 250 g. Se a água é aquecido de 25 C para 50 C, determine a variação de energia interna e o trabalho realizado se a pressão interna é mantida constante. 3) Considere o cilindro do exercício anterior com 50 g de ar (c = 0,24 cal/g C) no lugar da água e que o ar sofreu a mesma variação de temperatura. Se metade da energia fornecida foi transformada em trabalho, determine a quantidade de calor fornecida. 4) Uma quantidade de calor igual a 1000 J é fornecida em 5 s a uma massa de ar comprimido em um cilindro de 50 mm de diâmetro. Se a temperatura e pressão do ar são mantidas constantes, determine a velocidade do êmbolo do cilindro para uma pressão manométrica de 1 bar.

22 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA SISTEMAS ABERTOS 1º lei em termos de taxa de transferência de energia para sistemas fechados: Expandindo ρ a equação para sistemas abertos e introduzindo a transferência de energia devido ao escoamento:

23 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA SISTEMAS ABERTOS Considerando apenas uma entrada e uma saída e regime permanente: 0 A equação pode ser representada como:

24 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA SISTEMAS ABERTOS Identifique os termos da 1º lei no esquema abaixo Fonte: