BC1309 Termodinâmica Aplicada

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC BC309 Termodinâmica Aplicada Prof. Dr. Jose Rubens Maiorino

2 Calor, Trabalho e Primeira Lei da Termodinâmica

3 Conceitos q Calor Definição Meios de Transferência de Calor Condução Convecção Radiação q Trabalho Definição Diagrama P-v q Lei da Termodinâmica Interação entre: Calor Trabalho Energia Interna

4 Energia Energia pode existir em inúmeras formas: Térmica Cinética Mecânica Potencial Elétrica Magnética Química Nuclear E a soma delas constitui a energia total E de um sistema!

5 Energia A termodinâmica nada afirma sobre o valor absoluto da energia total. Ela trata apenas da variação da energia total. Éútil considerar as diversas formas de energia que constituem a energia total de um sistema em dois grupos: q macroscópico; q microscópico.

6 Energia Macroscópica A energia macroscópica de um sistema está relacionada ao movimento e à influência de alguns efeitos externos como a gravidade, magnetismo, eletricidade e tensão superficial. EP 0 kj EC 0 kj EC m EP mgz EP 7 kj EC 3 kj

7 Energia Microscópicas A energia microscópica de um sistema são aquelas relacionadas à estrutura e ao grau de atividade molecular,atômica e nuclear. Translação molecular Rotação molecular Spin de elétron Spin de núcleo Translação de elétron ibração molecular

8 Energia Interna U q Energia interna de um sistema é a soma de todas as formas microscópicas de energia. Energia química(elétrons) e Energia sensível e latente e Energia de um elétron sob uma diferença de potencial de qδ,6x0-9 J Energia nuclear Me BC309_Termodinâmica Apliada

9 Energia Total E U + EC + EP Energia interna especifica uu/mf(p,t)

10 ENERGIA r F E Movimento+Potencial de uma forca Forcas da natureza: Gravitação,Eletromag néticas, Nucleares ( r) dimensao F r r ensao ( r) F. dr.dim ( x) x Calor e basicamente movimento d dx Fdx E M + ( r) Exemplo : Forca Gravitacional M Mm F G r ( r) Terra : M E p r F( r) dr G M mgh T m Mm r M T ; g G ( R + h) T

11 Transferência de Energia

12 Transferência de Energia q As formas de interações de energia são identificadas na fronteira do sistema à medida que a atravessam e representam a energia ganha ou perdida por um sistema durante um processo. q As duas únicas formas de interação de energia associadas a um sistema fechado são: Transferência de Calor e Trabalho

13 Fluxo de Massa q olume de Controle: med vapor d água. m r A c med. Emv. / dede/mvdv q Energia e fluxo de massa ou vazão mássica associados ao escoamento de água em um duto de diâmetro D com velocidade média med.

14 Transferência de Energia por meio de Calor

15 Calor Calor pode ser definido como a energia em trânsito devido a uma diferença a de temperatura entre dois corpos.

16 Calor q Mecanismos de transferência de calor: Condução Convecção Radiação

17 Condução Térmica T q É a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para as partículas adjacentes menos energéticas como resultado da interação entre elas.

18 Condução T A q Lei de Fourier: T q A x x T dq dt ka q k T dx condutividade térmica

19 Convecção q Éa transferência de energia entre uma superfície sólida e o fluido adjacente que está em movimento. Fluído u T T S > T Superfície T S

20 Convecção u T S Condução: contato partícula de fluído com a superfície. Advecção: movimento global de partículas de fluído. Convecção Condução + Advecção

21 Taxa de Transferência de Calor q Lei de Resfriamento de Newton: q ( T ) A h T s v h: coeficiente de convecção ( / m.k) Características do fluído Geometria da superfície Tipo de escoamento

22 Radiação q A radiação é a energia emitida pela matéria na forma de ondas eletromagnéticas (ou fótons). Pessoa Ar Fogo Radiação q A transferência de calor por radiação pode ocorrer entre dois corpos, mesmo quando eles estão separados por um meio mais frio que ambos.

23 Radiação Térmica T Energia emitida de toda a matéria a temperatura não-nula q A σ ( 4 4 T ) s T viz σ : constante de Stefan-Boltzman

24 Transferência de Energia por meio de Trabalho

25 Trabalho

26 Trabalho q Trabalho éa energia transferida quando uma força age sobre um sistema ao longo de uma distância. F x x x Fdx

27 Exemplos de Trabalho em Sistemas

28 Trabalho P F A x x F dx x x x PAdx d A dx A F P d

29 Trabalho Graficamente: P P d

30 Trabalho Processo a pressão constante: P P P d P d P( )

31 Trabalho Processo politrópico: P n cte P n n P P d P cte n cte n d cte d n cte n n cte n n n P P n ( n )

32 Trabalho Processo politrópico: n P P P d P cte cte d cte ( ln ) P ln Nota: Este e um caso de processo a Temperatura constante(pnrt)

33 Trabalho

34 Potencia δ Potencia( P), Pdt δt UNIDADES DE POTENCIA Joule/swatt(w) UNIDADES DE ENERGIA Jwattxsegundo segundo/3600 hora 3600Jwattxhorahr Ou kh000wattsx3600s3,6x0 6 Joules

35 Outras formas de realização Trabalho Elétrico : RI(Lei de Ohm; mas ΔEΔQx, e portanto PotenciaΔE/ΔtI ou PRI (Efeito Joule: EJQ, J4,8 Joules/caloria). R P eletrica Q i Energia química. ( watt) Q Ri P i volts iamperes ROhms

36 Convenção de Sinais e Unidades Q ( - ) Q ( + ) ( - ) ( + ) Q [J] Joule

37 Diferenças entre Calor e Trabalho

38 ª Lei da Termodinâmica Sistemas

39 ª Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica: (princípio de conservação da energia) energia não pode ser criada e nem destruída durante um processo.

40 Ciclo Termodinâmico q Para um sistema fechado executando um ciclo, os estados inicial e final são idênticos e, portanto: P DE 0 Q liq liq v v O balanço de energia de um ciclo pode ser expresso em termos de interação de Q e ( liq realizado durante o ciclo éigual àentrada líquida de Q).

41 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas Sistema percorrendo um ciclo: Q Q

42 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas Q q Calor líquido transferido durante o ciclo. q Trabalho líquido transferido durante o ciclo.

43 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas C B A

44 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas ª Lei da Termodinâmica Lei da Termodinâmica - Sistemas Sistemas δ + δ δ + δ B A B A Q Q δ + δ δ + δ C A C A Q Q q Considerando os processos A e B separadamente: q E os processos A e C: Q Partindo de : () ()

45 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas ª Lei da Termodinâmica Lei da Termodinâmica - Sistemas Sistemas Subtraindo () de (): δ δ δ + δ δ δ δ + δ C A B A C A B A Q Q Q Q ( ) ( ) δ δ δ δ C B Q Q Simplificando: A quantidade quantidade (dq - d) é a mesma para qualquer processo!

46 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas Define-se, então, a propriedade: Energia do Sistema (E) Equação da º Lei da Termodinâmica para um sistema: δq δ de

47 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas Considerando uma variação temporal, temos: Q & & de dt Entre dois processos e quaisquer, escreve-se: Q E E

48 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas A energia do sistema pode ser dividida em: E U + EC + EP Energia Interna (T,P) U ( T, P) Energia Cinética EC m Energia Potencial EP mgz

49 ª Lei da Termodinâmica - Sistemas Forma geral da equação da ª lei da termodinâmica para sistemas: ( ) ( u + m ) + mg( z ) Q m u z energia interna específica (kj/kg)

50 Exemplo

51 Exemplo q Quatro quilogramas de certo gás estão contidos em um conjunto cilindro-pistão. O gás sofre um processo para o qual a relação entre pressão e volume é,5 p constante. A pressão inicial éde 300 kpa, o volume inicial éde 0,m 3 e o volume final de 0,m 3. A variação de energia interna especifica do gás no processo é u u 4,6kJ / kg. Não há variação cinética ou potencial. Determine a transferência de calor líquida no sistema. 3 0, m 3 0, m P 300 kpa u u 4,6 kj / kg m ( ) ( u + m ) + mg( z ) Q m u z kg

52 Exemplo Q ( ) Q + ( ) m u u m u u P p, 5 P n cte Processo politrópico com n,5 (trabalho politrópico com n ) p,5,5 p p p,5 06,4 kpa P P 7,56 kj Q 0,854 kj n

53 Calor Especifico Calor Especifico: Para uma substancia simples, numa fase homogênea definimos calor especifico como a quantidade de calor necessária para elevar uma unidade de massa da substancia em um grau( caloria4,8 J) δq du + δ du + Pd Definindo, Entalpia : H U + P ( h u + Pv). olume Constante Trabalho nulo δq U u c ( ) ( ) ( ) m δt m T T. Pressão Constante: δq H h c P ( ) P ( ) P ( ) m δt m T T P

54 Aplicações na Engenharia

55 Resumo Trabalho e Calor são formas de transferência de energia de um sistema ou volume de controle para outro ou suas vizinhanças. O trabalho pode ser transferido mecanicamente(ou eletricamente etc)de um sistema para outro, e deve atravessar como um fenômeno transiente ou a a uma taxa permanente de trabalho, que e a potencia. O trabalho e uma função do processo(função de linha) e depende tanto do caminho do processo quanto dos estados iniciais e finais. O trabalho associado ao movimento de fronteira e igual a área abaixo da curva do processo(p-). O calor e uma forma de transferência de energia associada com uma diferença de temperatura. A condução, convecção, e radiação são os modos de transferência de calor. A conservação de Energia foi formulada para um sistema que percorre um circulo. A energia cinética e potencial podem ser alteradas por meio de trabalho realizado por uma forca que atua no sistema e elas fazem parte da energia total do sistema. A energia interna esta associada com a estrutura molecular, atômica e nuclear(forcas), e depende do estado do sistema(pressão e temperatura) E U + EC + EP mu + mv + mgz de δq δ

56 Conceitos e Equações