PROGRAMA. CONCEITOS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS & TRABALHO E CALOR (Parte 1) 1ª, 2ª, 3ª e 4ª semanas. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA (Parte 2)

Transcrição

1 PROGRAMA CONCEITOS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS & TRABALHO E CALOR (Parte 1) 1ª, 2ª, 3ª e 4ª semanas. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA (Parte 2) 5ª, 6ª, 7ª, 8ª e 9ª semanas; 1ª prova individual. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA (Parte 3) 10ª, 11ª, 12ª, 13ª, 14ª e 15ª semanas; 2ª prova individual.

2 Informação para contato Prof. Dr. Oscar M. H. Rodriguez - NETeF Departamento de Engenharia Mecânica - SEM Tel: oscarmhr@sc.usp.br Blog: Bibliografia LIVRO TEXTO 1. VAN WYLEN, G.J., SONNTAG, R.E., BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica. Editora Edgard Blucher Ltda, São Paulo, 5a Edição, REFERÊNCIAS ADICIONAIS 1. MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons Inc., 2a ed., HERNANDEZ-MENDOZA, O.S., Termodinâmica. Em fase de edição, Critério de Avaliação {[ ( P + P ) ] 0,9 + [( T + T TN )/ N] 0,1} 5, 0= MF (P prova, T teste).

3 Escopo da Termodinâmica TERMODINÂMICA: A ciência da energia e da entropia ou A ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias que sustentam uma relação com trabalho e calor ou, simplesmente: A ciência do calor (Stephen Hawking) Termodinâmica é ambos um braço da física e uma ciência da engenharia. Engenheiros usam os princípios da termodinâmica para analisar e projetar equipamentos, sistemas e processos.

4 A termodinâmica é básica para estudos subseqüentes em campos como: mecânica dos fluidos transferência de calor materiais fenômenos de superfície plasmas criogenia motores automotivos Turbinas compressores, bombas plantas de potência a combustível fóssil ou nuclear sistemas de propulsão em aeroplanos e foguetes calefação, ventilação e ar-condicionado refrigeração sistemas de energia alternativos células de combustível energia solar sistemas geotérmicos energia eólica aplicações biomédicas e biomecânicas sistemas de suporte à vida orgãos artificiais micro e nanosistemas escoamento multifásico produção e transporte de petróleo etc.

5 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DAS ENERGIAS Produto Interno Bruto (PIB) consumo de energia per capita O consumo de energia do mundo dobra a cada 50 anos!! Reservas, geração e otimização da energia é uma questão estratégica. Desafios para a engenharia: aperfeiçoamento do uso fontes convencionais de energia (petróleo, energia nuclear, energia hidráulica, carvão, lenha, etc. ) uso mais intenso das fontes não convencionais de energia (solar, eólica, geotérmica, marés, etc.) reestruturação do uso da energia (recuperação de energia) Aumento do rendimento das máquinas de conversão de energia

6 Rendimento ( ) é a relação do produto desejado (energia útil) pelo consumo requerido (energia gasta), ou seja: η = Energia Útil Energia Gasta Rendimentos típicos de algumas máquinas térmicas cíclicas que convertem energia química em mecânica: Máquina Térmica Condições de Operação Rendimento (%) Motor de Automóvel a gasolina (velas) ótima 25 estável (100 Km/h) 18 estável (75 Km/h) 12 Motor de caminhão (diesel) carga plena meia carga Locomotiva (diesel) ótima 30 Turbina a gás (75 KW) a)com regeneração b)sem regeneração Turbina a gás ( >7500 KW) a)com regeneração b)sem regeneração ótima ótima ótima ótima Planta a vapor ( >35000 KW ) ótima 41

7 Rendimentos aproximados de aparelhos não cíclicos que realizam processos de conversão de energia: Conversor Tipo de Conversão Rendimento (%) Forno doméstico Química a Térmica 70 Bateria Bateria seca Célula de combustível Química a Elétrica Motor elétrico Elétrica a Mecânica 90 Lâmpada fluorescente Lâmpada incandescente Foguetes Motores de Avião (jato) Elétrica a Radiante 21 7 Química a Cinética Turbina Elétrica Potencial a Mecânica 95

8 1. Algumas aplicações clássicas da termodinâmica 1. centrais termoelétricas, 2. células de combustível, 3. refrigeração, 4. turbinas a gás, 5. propulsão de foguetes, 6. motores de combustão interna; Ex.: ciclo Otto (motor 4 tempos):

9 1- Central Termoelétrica Aplicações: siderurgias, refinarias, usinas sucroalcooleiras, etc.

10

11 2- Células de combustível Aplicações: estação espacial e satelites, transporte público (ônibus), etc. Na superfície externa da membrana 2H H Os íons de hidrogênio fluem através da membrana para o catodo: + 4H + 4e + O2 2H 2O e

12 3- Ciclo de refrigeração Aplicações: geladeiras domesticas, plantas de refrigeração industrial, etc.

13 4- Turbinas a gás Aplicações: geração de energia elétrica, aviação, etc.

14 5- Motor de foguete

15 6- motores de combustão interna Exemplo: ciclo Otto (motor 4 tempos): 1 o tempo 2 o tempo 3 o tempo 4 o tempo Compressão Combustão Exaustão Admissão