Termodinâmica Aplicada

Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Aplicações da Termodinâmica Mônica L. Aguiar Caliane B. B. Costa Termodinâmica Aplicada

Termodinâmica Aplicada

Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Marcia Rozenfeld G. de Oliveira Sandra Abib Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km 235 13565-905 - São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) 3351-8420 www.uab.ufscar.br uab@ufscar.br

Mônica Lopes Aguiar Caliane Bastos Borba Costa Termodinâmica Aplicada 2011

2011, Mônica Lopes Aguiar e Caliane Bastos Borba Costa Concepção Pedagógica Daniel Mill Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.

........... SUMÁRIO Apresentação...................................................... 11 Unidade 1: Introdução 1.1 Primeiras palavras.............................................. 15 1.2 Problematizando o tema......................................... 15 1.3 Um pouco de história.... 15 1.4 Conceitos básicos.... 17 1.4.1 Dimensões e unidades........................................ 17 1.4.2 Sistemas termodinâmicos e volume de controle.... 23 1.4.3 Estado e propriedade termodinâmica de substância pura... 25 1.4.4 Processos e ciclos.... 26 1.5 Considerações finais............................................ 27 1.6 Estudos complementares........................................28 Unidade 2: Primeira Lei da Termodinâmica 2.1 Primeiras palavras.............................................. 31 2.2 Problematizando o tema......................................... 31 2.3 Experiência de Joule.... 31 2.4 Trabalho, calor e energia... 32 2.4.1 Trabalho................................................... 32

2.4.2 Calor...................................................... 39 2.4.2.1 Taxa de transferência de calor.... 40 2.4.2.2 Comparação entre calor e trabalho... 41 2.4.3 Energia total................................................ 41 2.5 Enunciado da Primeira Lei: energia interna e entalpia............... 42 2.5.1 A Primeira Lei da Termodinâmica................................ 42 2.5.2 Energia interna.............................................. 43 2.5.3 Entalpia... 44 2.6 A Primeira Lei em termos de fluxos de energia... 46 2.7 Calores específicos ou capacidade calorífica....................... 46 2.8 Equação da continuidade: conservação da massa.................. 52 2.9 A Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos............ 53 2.10 Considerações finais............................................ 55 2.11 Estudos complementares........................................ 56 Unidade 3: Propriedades volumétricas de fluidos puros 3.1 Primeiras palavras.............................................. 59 3.2 Problematizando o tema......................................... 59 3.3 Substâncias puras.............................................. 59 3.3.1 Comportamento pvt de substâncias puras... 60 3.3.2 Superfícies termodinâmicas.................................... 69 3.3.3 Tabelas de propriedades termodinâmicas... 69 3.3.4 Estado e propriedades para sistemas bifásicos L-V.................. 70 3.3.5 Relação pvt para gás ideal..................................... 72

3.4 Equação de estado.............................................. 75 3.4.1 Equação do virial... 79 3.4.2 Equações de estado do terceiro grau (cúbicas).... 80 3.5 Comportamento dos líquidos.... 86 3.6 Considerações finais............................................ 88 3.7 Estudos complementares........................................ 88 Unidade 4: A Segunda Lei da Termodinâmica 4.1 Primeiras palavras.............................................. 91 4.2 Problematizando o tema......................................... 91 4.3 Enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica.... 92 4.3.1 Máquinas térmicas........................................... 93 4.3.2 Refrigeradores térmicos simples.... 95 4.3.3 Reversibilidade.... 99 4.3.4 O ciclo de Carnot.... 99 4.4 Considerações finais........................................... 106 4.5 Estudos complementares....................................... 107 Unidade 5: Entropia 5.1 Primeiras palavras............................................. 111 5.2 Problematizando o tema........................................ 111 5.3 Desigualdade de Clausius... 112 5.4 Entropia como uma propriedade termodinâmica.................. 116

5.4.1 O ciclo de Carnot em um diagrama T-s... 120 5.4.2 Mudança de estado na saturação............................... 121 5.4.3 Gases ideais e a Segunda Lei.................................. 126 5.4.3.1 Processo em volume constante.......................... 126 5.4.3.2 Processo em pressão constante... 127 5.4.3.3 Processo em temperatura constante.... 128 5.4.3.4 Processos genéricos de p 1, v 1, T 1 a p 2, v 2, T 2... 128 5.4.3.5 Trabalho reversível.................................... 130 5.4.3.6 Processo reversível adiabático........................... 131 5.5 Trabalho perdido... 133 5.6 Princípios de aumento de entropia... 135 5.7 Considerações finais........................................... 138 5.8 Estudos complementares....................................... 138 Unidade 6: Termodinâmica dos processos de escoamento 6.1 Primeiras palavras............................................. 141 6.2 Problematizando o tema........................................ 141 6.3 Equações fundamentais.........................................142 6.3.1 Conservação de massa....................................... 142 6.3.2 Conservação de energia...................................... 142 6.3.3 Balanço de entropia.... 144 6.3.4 Bocais... 145 6.3.5 Processos de estrangulamento... 145 6.3.6 Turbinas (expansores).... 146 6.3.7 Compressores... 147 6.3.8 Ejetores... 150 6.4 Considerações finais........................................... 151

6.5 Estudos complementares....................................... 151 Unidade 7: Ciclos termodinâmicos 7.1 Primeiras palavras............................................. 155 7.2 Problematizando o tema........................................ 155 7.3 Introdução aos ciclos de potência................................156 7.4 O ciclo de Rankine ideal........................................ 159 7.5 O ciclo de refrigeração de Rankine... 164 7.6 Dispositivos a gás de único passe............................... 165 7.6.1 Motor a gasolina ideal: o ciclo Otto... 166 7.6.2 Motores a diesel ideais: o ciclo Diesel.... 168 7.6.3 Comparação entre os motores a gasolina e a diesel................. 169 7.6.4 Turbina a gás (ciclo Brayton ou Joule)........................... 170 7.7 Considerações finais........................................... 172 7.8 Estudos complementares....................................... 173

Referências................................................... 175 Apresentação O objetivo deste livro é apresentar um tratamento introdutório da Termodinâmica e, de maneira simples, favorecer a compreensão de suas leis e aplicações. A Unidade 1 apresenta as definições básicas e a Unidade 2 traz o desenvolvimento da Primeira Lei aplicada a processos estáticos e em escoamento permanente. A Unidade 3 trata do comportamento dos fluidos em função da pressão, do volume e da temperatura, possibilitando a aplicação da Primeira Lei a problemas práticos importantes. As demais unidades analisam a Segunda Lei e algumas de suas aplicações. Dessa forma, as unidades cobrem os fundamentos da Termodinâmica de substância pura e permitem sua aplicação aos processos de escoamento, de produção de energia e de refrigeração, tópicos de grande importância para o uso mais eficiente da energia, que se torna cada vez mais escassa. Embora este livro tenha muitos assuntos em nível introdutório, seu conteúdo é razoavelmente amplo. Por isso, pode ser usado, mediante uma escolha apropriada de unidade e seções, em cursos de diversos tipos, em níveis menos ou 11