Sumário CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS 1 1 1 Termodinâmica e energia 2 Áreas de aplicação da termodinâmica 3 1 2 Importância das dimensões e unidades 3 Algumas unidades do SI e inglesas 6 Homogeneidade dimensional 8 Fatores de conversão de unidades 9 1 3 Sistemas e volumes de controle 10 1 4 Propriedades de um sistema 12 Contínuo 12 1 5 Densidade e densidade relativa 13 1 6 Estado e equilíbrio 14 O postulado de estado 15 1 7 Processos e ciclos 15 O processo em regime permanente 16 1 8 Temperatura e a lei zero da termodinâmica 17 Escalas de temperatura 18 A escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90) 20 1 9 Pressão 21 Variação da pressão com a profundidade 23 1 10 O manômetro de coluna 26 Outros dispositivos de medição de pressão 28 1 11 O barômetro e a pressão atmosférica 29 1 12 Técnica para solução de problemas 33 Passo 1: Enunciado do problema 33 Passo 2: Esquema 33 Passo 3: Hipóteses e aproximações 33 Passo 4: Leis da física 34 Passo 5: Propriedades 34 Passo 6: Cálculos 34 Passo 7: Raciocínio, verificação e discussão 34 Pacotes computacionais de engenharia 35 Engineering equation solver (EES) 36 Uma observação sobre os algarismos significativos 37 Resumo 38 Referências e sugestões de leitura 39 Problemas 39 CAPÍTULO 2 ENERGIA, TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA E ANÁLISE GERAL DA ENERGIA 51 2 1 Introdução 52 2 2 Formas de energia 53 Uma interpretação física para a energia interna 55 Mais informações sobre a energia nuclear 56 Energia mecânica 58 2 3 Transferência de energia por calor 60 Calor: contexto histórico 61 2 4 Transferência de energia por trabalho 62 Trabalho elétrico 65 2 5 Formas mecânicas de trabalho 66 Trabalho de eixo 66 Trabalho contra uma mola 67 Trabalho realizado sobre barras sólidas elásticas 67 Trabalho associado ao alongamento de um filme de líquido 68 Trabalho realizado para elevar ou acelerar um corpo 68 Formas não mecânicas de trabalho 69 2 6 A primeira lei da termodinâmica 70 Balanço de energia 71 Variação da energia de um sistema, E sistema 72 Mecanismos de transferência de energia, E ent e E sai 73 2 7 Eficiências de conversão de energia 78 Eficiências de dispositivos mecânicos e elétricos 82 2 8 Energia e meio ambiente 86 Ozônio e smog 87 Chuva ácida 88 O efeito estufa: aquecimento global e mudança climática 89 Mecanismos de transferência de calor 92 Resumo 96 Referências e sugestões de leitura 97 Problemas 98
xxii Sumário CAPÍTULO 3 PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS 111 3 1 Substância pura 112 3 2 Fases de uma substância pura 112 3 3 Processos de mudança de fase de substâncias puras 113 Líquido comprimido e líquido saturado 114 Vapor saturado e vapor superaquecido 114 Temperatura de saturação e pressão de saturação 115 Algumas consequências da dependência entre T sat e P sat 116 3 4 Diagramas de propriedades para os processos de mudança de fase 118 1 O diagrama T-v 118 2 O diagrama P-v 120 Estendendo os diagramas para incluir a fase sólida 120 3 O diagrama P-T 122 Superfície P-v-T 123 3 5 Tabelas de propriedades 124 Entalpia uma propriedade combinada 124 1a Estados de líquido saturado e vapor saturado 125 1b Mistura de líquido e vapor saturados 127 2 Vapor superaquecido 130 3 Líquido comprimido 131 Estado de referência e valores de referência 132 3 6 Equação de estado do gás ideal 134 O vapor de água é um gás ideal? 137 3 7 Fator de compressibilidade uma medida do desvio do comportamento de gás ideal 137 3 8 Outras equações de estado 141 Equação de estado de Van der Waals 141 Equação de estado de Beattie-Bridgeman 142 Equação de estado de Benedict-Webb-Rubin 143 Equação de estado de virial 143 Pressão de vapor e pressão de equilíbrio 146 Resumo 150 Referências e sugestões de leitura 151 Problemas 151 CAPÍTULO 4 ANÁLISE DA ENERGIA DOS SISTEMAS FECHADOS 163 4 1 Trabalho de fronteira móvel 164 Processo politrópico 168 4 2 Balanço de energia em sistemas fechados 169 4 3 Calores específicos 174 4 4 Energia interna, entalpia e calores específicos dos gases ideais 176 Relações entre calores específicos dos gases ideais 178 4 5 Energia interna, entalpia e calores específicos de sólidos e líquidos 183 Variações de energia interna 184 Variações de entalpia 184 Aspectos termodinâmicos de sistemas biológicos 187 Resumo 195 Referências e sugestões de leitura 195 Problemas 196 CAPÍTULO 5 ANÁLISES DA MASSA E DA ENERGIA EM VOLUMES DE CONTROLE 215 5 1 Conservação da massa 216 Vazão mássica e vazão volumétrica 216 Princípio de conservação da massa 218 Balanço de massa para processos com escoamento em regime permanente 219 Caso especial: escoamento incompressível 220 5 2 Trabalho de fluxo e a energia de escoamento de um fluido 223 Energia total de um fluido escoando 223 Transporte de energia pela massa 224 5 3 Análise da energia em sistemas sob regime permanente 226 5 4 Alguns dispositivos da engenharia com escoamento em regime permanente 229 1 Bocais e difusores 230 2 Turbinas e compressores 233 3 Válvulas de estrangulamento 235 4a Câmaras de mistura 237 4b Trocadores de calor 238 5 Escoamento em tubos e dutos 241 5 5 Análise da energia de processos em regime transiente 242 Forma geral da equação da energia 247 Resumo 251 Referências e sugestões de leitura 252 Problemas 252
Sumário xxiii CAPÍTULO 6 A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 277 6 1 Introdução à segunda lei 278 6 2 Reservatórios de energia térmica 279 6 3 Máquinas térmicas 280 Eficiência térmica 281 Podemos economizar Q sai? 283 A segunda lei da termodinâmica: enunciado de Kelvin-Planck 285 6 4 Refrigeradores e bombas de calor 285 Coeficiente de performance 286 Bombas de calor 287 Desempenho de refrigeradores, condicionadores de ar e bombas de calor 288 A segunda lei da termodinâmica: enunciado de Clausius 290 Equivalência dos dois enunciados 291 6 5 Moto-contínuo 292 6 6 Processos reversíveis e irreversíveis 294 Irreversibilidades 295 Processos interna e externamente reversíveis 297 6 7 O ciclo de Carnot 297 O ciclo de Carnot inverso 299 6 8 Os princípios de Carnot 299 6 9 A escala termodinâmica de temperatura 301 6 10 A máquina térmica de Carnot 303 A qualidade da energia 305 Quantidade versus qualidade no dia a dia 305 6 11 O refrigerador e a bomba de calor de Carnot 306 Refrigeradores domésticos 309 Resumo 313 Referências e sugestões de leitura 314 Problemas 314 CAPÍTULO 7 ENTROPIA 331 7 1 Entropia 332 Um caso especial: processos de transferência de calor isotérmicos e internamente reversíveis 334 7 2 O princípio do aumento da entropia 335 Algumas observações sobre a entropia 338 7 3 Variação da entropia de substâncias puras 339 7 4 Processos isentrópicos 342 7 5 Diagramas de propriedades envolvendo a entropia 344 7 6 O que é a entropia? 345 Entropia e geração de entropia na vida diária 347 7 7 As relações T ds 349 7 8 Variação da entropia de líquidos e sólidos 350 7 9 Variação da entropia dos gases ideais 354 Calores específicos constantes (análise aproximada) 354 Calores específicos variáveis (análise exata) 355 Processos isentrópicos de gases ideais 357 Calores específicos constantes (análise aproximada) 357 Calores específicos variáveis (análise exata) 358 Pressão relativa e volume específico relativo 358 7 10 Trabalho reversível no escoamento em regime permanente 361 Demonstração de que os dispositivos com escoamento em regime permanente produzem o máximo e consomem o mínimo trabalho quando o processo é reversível 364 7 11 Minimizando o trabalho do compressor 364 Compressão em múltiplos estágios com resfriamento intermediário 366 7 12 Eficiências isentrópicas de dispositivos com escoamento em regime permanente 368 Eficiência isentrópica das turbinas 369 Eficiências isentrópicas de compressores e bombas 371 Eficiência isentrópica dos bocais 373 7 13 Balanço de entropia 375 Variação da entropia de um sistema, S sistema 375 Mecanismos de transferência de entropia, S ent e S sai 376 1 Transferência de calor 376 2 Fluxo de massa 377 Geração de entropia, S ger 377 Sistemas fechados 378 Volumes de controle 379 Geração de entropia associada a um processo de transferência de calor 386 Reduzindo o custo do ar comprimido 387 Resumo 396 Referências e sugestões de leitura 397 Problemas 398
xxiv Sumário CAPÍTULO 8 EXERGIA: UMA MEDIDA DO POTENCIAL DE TRABALHO 423 8 1 Exergia: potencial de trabalho da energia 424 Exergia (potencial de trabalho) associada às energias cinética e potencial 425 8 2 Trabalho reversível e irreversibilidade 427 8 3 Eficiência de segunda lei, II 432 8 4 Variação da exergia de um sistema 435 Exergia de uma massa fixa: exergia de um sistema fechado 435 Exergia de escoamento: fluxo de exergia 438 8 5 Transferência de exergia por calor, trabalho e fluxo de massa 440 Exergia por transferência de calor, Q 441 Transferência de exergia por trabalho, W 442 Transferência de exergia por fluxo de massa, m 442 8 6 O princípio da diminuição da exergia e a destruição da exergia 443 Destruição da exergia 444 8 7 Balanço de exergia: sistemas fechados 445 8 8 Balanço de exergia: volumes de controle 456 Balanço de exergia para sistemas com escoamento em regime permanente 457 Trabalho reversível, W rev 458 Eficiência de segunda lei dos dispositivos com escoamento em regime permanente, II 458 Aspectos da segunda lei na vida diária 465 Resumo 469 Referências e sugestões de leitura 470 Problemas 470 CAPÍTULO 9 CICLOS DE POTÊNCIA A GÁS 487 9 1 Considerações básicas na análise dos ciclos de potência 488 9 2 O ciclo de Carnot e seu valor para a engenharia 490 9 3 Hipóteses do padrão a ar 492 9 4 Uma visão geral dos motores alternativos 492 9 5 Ciclo Otto: o ciclo ideal dos motores de ignição por centelha 494 9 6 Ciclo diesel: o ciclo ideal dos motores de ignição por compressão 500 9 7 Ciclos Stirling e Ericsson 503 9 8 Ciclo Brayton: o ciclo ideal das turbinas a gás 507 Desenvolvimento das turbinas a gás 510 Diferenças entre ciclos de turbinas a gás reais e idealizados 513 9 9 O ciclo Brayton com regeneração 514 9 10 O ciclo Brayton com resfriamento intermediário, reaquecimento e regeneração 517 9 11 Ciclos de propulsão a jato ideais 521 Modificações em motores turbojatos 525 9 12 Análise da segunda lei dos ciclos de potência a gás 527 Economia de combustível e dinheiro ao dirigir 531 Resumo 537 Referências e sugestões de leitura 539 Problemas 539 CAPÍTULO 10 CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR E COMBINADOS 555 10 1 O ciclo a vapor de Carnot 556 10 2 Ciclo de Rankine: o ciclo ideal para os ciclos de potência a vapor 557 Análise de energia do ciclo de Rankine ideal 557 10 3 Desvios entre os ciclos reais de potência a vapor e os idealizados 560 10 4 Como podemos aumentar a eficiência do ciclo de Rankine? 563 Reduzindo a pressão no condensador (reduz T L, med ) 563 Superaquecendo o vapor a temperaturas mais altas (aumenta T H, med ) 564 Aumentando a pressão na caldeira (aumenta T H, med ) 564 10 5 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento 567 10 6 Ciclo de Rankine regenerativo ideal 571 Aquecedores de água de alimentação abertos 571 Aquecedores de água de alimentação fechados 573
Sumário xxv 10 7 Análise de segunda lei para os ciclos de potência a vapor 579 10 8 Cogeração 581 10 9 Ciclos combinados gás-vapor 586 Ciclos binários a vapor 589 Resumo 592 Referências e sugestões de leitura 592 Problemas 593 CAPÍTULO 11 CICLOS DE REFRIGERAÇÃO 611 11 1 Refrigeradores e bombas de calor 612 11 2 O ciclo de Carnot reverso 613 11 3 O ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor 614 11 4 Ciclo real de refrigeração por compressão de vapor 617 11 5 Análise de segunda lei para o ciclo de refrigeração por compressão de vapor 619 11 6 Selecionando o refrigerante adequado 624 11 7 Sistemas de bombas de calor 626 11 8 Sistemas inovadores de refrigeração por compressão de vapor 627 Sistemas de refrigeração em cascata 628 Sistemas de refrigeração por compressão em múltiplos estágios 630 Sistemas de refrigeração com múltiplos propósitos em um único compressor 632 Liquefação de gases 633 11 9 Ciclos de refrigeração a gás 634 11 10 Sistemas de refrigeração por absorção 637 Geração de potência termoelétrica e sistemas de refrigeração 640 Resumo 642 Referências e sugestões de leitura 643 Problemas 643 CAPÍTULO 12 RELAÇÕES DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 661 12 1 Um pouco de matemática derivadas parciais e relações associadas 662 Diferenciais parciais 663 Relações diferenciais parciais 665 12 2 As relações de Maxwell 667 12 3 A equação de Clapeyron 668 12 4 Relações gerais para du, dh, ds, c v e c p 671 Variações da energia interna 672 Variações na entalpia 672 Variações da entropia 673 Calores específicos c v e c p 674 12 5 Coeficiente Joule-Thomson 678 12 6 As variações h, u e s de gases reais 680 Variações da entalpia de gases reais 680 Variações da energia interna de gases reais 681 Variações da entropia de gases reais 682 Resumo 685 Referências e sugestões de leitura 686 Problemas 686 CAPÍTULO 13 MISTURAS DE GÁS 693 13 1 Composição de uma mistura de gases: frações mássica e molar 694 13 2 Comportamento P-v-T das misturas de gases: gases ideais e gases reais 696 Misturas de gases ideais 697 Misturas de gases reais 697 13 3 Propriedades de misturas de gases: gases ideais e gases reais 701 Misturas de gases ideais 702 Misturas de gases reais 705 Potencial químico e o trabalho de separação das misturas 709 Resumo 720 Referências e sugestões de leitura 721 Problemas 721 CAPÍTULO 14 MISTURAS GÁS-VAPOR E CONDICIONAMENTO DE AR 731 14 1 Ar seco e ar atmosférico 732 14 2 Umidade específica e relativa do ar 733 14 3 Temperatura do ponto de orvalho 735 14 4 Saturação adiabática e temperaturas de bulbo úmido 737
xxvi Sumário 14 5 Diagrama psicrométrico 740 14 6 Conforto humano e condicionamento de ar 741 14 7 Processos de condicionamento de ar 743 Aquecimento e resfriamento simples ( constante) 744 Aquecimento com umidificação 745 Resfriamento com desumidificação 746 Resfriamento evaporativo 748 Mistura adiabática de correntes de ar 749 Torres de resfriamento úmidas 751 Resumo 753 Referências e sugestões de leitura 755 Problemas 755 CAPÍTULO 15 REAÇÕES QUÍMICAS 767 15 1 Combustíveis e combustão 768 15 2 Processos de combustão teóricos e reais 772 15 3 Entalpia de formação e entalpia de combustão 779 15 4 Análise da primeira lei para os sistemas reativos 782 Sistemas em regime permanente 783 Sistemas fechados 784 15 5 Temperatura adiabática de chama 788 15 6 Variação da entropia em sistemas reativos 790 15 7 Análise de segunda lei dos sistemas reativos 792 Células combustíveis 798 Resumo 800 Referências e sugestões de leitura 801 Problemas 801 CAPÍTULO 16 EQUILÍBRIOS QUÍMICO E DE FASES 813 16 1 Critérios para o equilíbrio químico 814 16 2 A constante de equilíbrio das misturas de gases ideais 816 16 3 Algumas observações sobre o K P das misturas de gases ideais 820 16 4 Equilíbrio químico para reações simultâneas 824 16 5 Variação de K P com a temperatura 826 16 6 Equilíbrio de fases 828 Equilíbrio de fases para um sistema de componente único 828 A regra das fases 830 Equilíbrio de fases em sistemas multicomponentes 830 Resumo 836 Referências e sugestões de leitura 837 Problemas 837 CAPÍTULO 17 ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL 847 17 1 Propriedades de estagnação 848 17 2 Velocidade do som e número de Mach 851 17 3 Escoamento isentrópico unidimensional 853 Variação da velocidade do fluido com a área de escoamento 856 Relações de propriedades para o escoamento isentrópico dos gases ideais 858 17 4 Escoamento isentrópico através de bocais 860 Bocais convergentes 860 Bocais convergentes-divergentes 865 17 5 Ondas de choque e ondas de expansão 869 Choques normais 869 Choques oblíquos 876 Ondas de expansão de Prandtl Meyer 880 17 6 Escoamento em duto com transferência de calor e atrito desprezível (escoamento de Rayleigh) 884 Relações de propriedade para o escoamento de Rayleigh 890 Escoamento estrangulado de Rayleigh 891 17 7 Bocais de vapor 893 Resumo 896 Referências e sugestões de leitura 897 Problemas 898 APÊNDICE 1 TABELAS E DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES (EM UNIDADES NO SI) 907 TABELA A 1 TABELA A 2 TABELA A 3 TABELA A 4 Massa molar, constante do gás, e propriedades do ponto crítico 908 Calores específicos de gás ideal para diversos gases comuns 909 Propriedades de líquidos, sólidos e alimentos comuns 912 Água, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de temperatura 914
Sumário xxvii TABELA A 5 Água, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de pressão 916 TABELA A 6 Água, vapor superaquecido 918 TABELA A 7 Água, líquido comprimido 922 TABELA A 8 Água, sólido-vapor saturados 923 FIGURA A 9 Diagrama T-s da água 924 FIGURA A 10 Diagrama de Mollier para a água 925 TABELA A 11 Refrigerante-134a, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de temperatura 926 TABELA A 12 Refrigerante-134a, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de pressão 928 TABELA A 13 Refrigerante-134a, vapor superaquecido 929 FIGURA A 14 Diagrama P-h para o refrigerante-134a 931 FIGURA A 15 Diagrama generalizado de compressibilidade de Nelson Obert 932 TABELA A 16 Propriedades da atmosfera a grandes altitudes 933 TABELA A 17 Propriedades de gás ideal do ar 934 TABELA A 18 Propriedades de gás ideal do nitrogênio, N 2 936 TABELA A 19 Propriedades de gás ideal do oxigênio, O 2 938 TABELA A 20 Propriedades de gás ideal do dióxido de carbono, CO 2 940 TABELA A 21 Propriedades de gás ideal do monóxido de carbono, CO 942 TABELA A 22 Propriedades de gás ideal do hidrogênio, H 2 944 TABELA A 23 Propriedades de gás ideal do vapor de água, H 2 O 945 TABELA A 24 Propriedades de gás ideal do oxigênio monatômico, O 947 TABELA A 25 Propriedades de gás ideal da hidroxila, OH 947 TABELA A 26 Entalpia de formação, função de formação de Gibbs e entropia absoluta a 25 C e 1 atm 948 TABELA A 27 Propriedades de alguns combustíveis e hidrocarbonetos comuns 949 TABELA A 28 Logaritmos naturais da constante de equilíbrio K P 950 FIGURA A 29 FIGURA A 30 FIGURA A 31 Diagrama generalizado do desvio de entalpia 951 Diagrama generalizado do desvio de entropia 952 Carta psicrométrica à pressão total de 1 atm 953 TABELA A 32 Funções do escoamento compressível isentrópico unidimensional de um gás ideal com k = 1,4 954 TABELA A 33 Funções de choque normal unidimensional para um gás ideal com k = 1,4 955 TABELA A 34 Funções do escoamento de Rayleigh para um gás ideal com k = 1,4 956 APÊNDICE 2 TABELAS E DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES (UNIDADES INGLESAS) 957 TABELA A 1E TABELA A 2E TABELA A 3E TABELA A 4E TABELA A 5E Massa molar, constante do gás e propriedades do ponto crítico 958 Calores específicos de gás ideal para diversos gases comuns 959 Propriedades de líquidos, sólidos e alimentos comuns 962 Água, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de temperatura 964 Água, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de pressão 966 TABELA A 6E Água, vapor superaquecido 968 TABELA A 7E Água, líquido comprimido 972 TABELA A 8E Água, sólido-vapor saturados 973 FIGURA A 9E Diagrama T-s da água 974 FIGURA A 10E Diagrama de Mollier para a água 975 TABELA A 11E Refrigerante-134a, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de temperatura 976 TABELA A 12E Refrigerante-134a, líquido-vapor saturados Tabela com entrada de pressão 977 TABELA A 13E Refrigerante-134a, vapor superaquecido 978 FIGURA A 14E Diagrama P-h para o refrigerante-134a 980 TABELA A 16E Propriedades da atmosfera a grandes altitudes 981
xxviii Sumário TABELA A 17E Propriedades de gás ideal do ar 982 TABELA A 18E Propriedades de gás ideal do nitrogênio, N 2 984 TABELA A 19E Propriedades de gás ideal do oxigênio, O 2 986 TABELA A 20E Propriedades de gás ideal do dióxido de carbono, CO 2 988 TABELA A 21E Propriedades de gás ideal do monóxido de carbono, CO 990 TABELA A 22E Propriedades de gás ideal do hidrogênio, H 2 992 TABELA A 23E Propriedades de gás ideal do vapor de água, H 2 O 993 TABELA A 26E Entalpia de formação, função de formação de Gibbs e entropia absoluta a 77 F e 1 atm 995 TABELA A 27E Propriedades de alguns combustíveis e hidrocarbonetos comuns 996 FIGURA A 31E Carta psicrométrica à pressão total de 1 atm 997 ÍNDICE 999