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Curso de Termodinâmica Aplicada Prof. Luís Mauro Moura Curso de Engenharia Mecânica - CEM Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR Telefone:

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1 Curso de Termodinâmica Aplicada Prof. Luís Mauro Moura Curso de Engenharia Mecânica - CEM Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR Telefone: (41) Engenheiro Mecânico formado pela UFSC em 1990 com mestrado em Ciências Térmicas também pela UFSC em Realizou doutorado No Institut de Sciences Appliquées de Lyon, INSA de Lyon - França na área de Ciências Térmicas e Energia, com obtenção em Iniciou a carreira docente em 1999 na Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR) onde hoje é professor Titular. Trabalha com pesquisa na área de Ciências Térmicas e Aproveitamento de Energia, onde possui até o primeiro semestre de 2006, 13 orientações de mestrado e 11 orientações de iniciação científica. Orienta atualmente 3 alunos de doutorado e 4 alunos de mestrado. Exerceu o cargo de Diretor do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR entre os anos de 2001 e 2006 e é atualmente o secretário da Regional Paraná da Associação Brasileira de Ciências Mecânicas. Pertence Conselho do Centro de Ciências e Tecnologia da PUCPR e Conselho Universitário da PUCPR.(CONSUN, CAMGRAD). Professor do Programa de Formação em Motores e Combustíveis desde a primeira turma.

2 Curso de Termodinâmica Aplicada

3 Bugatti - Veyron 16.4

4 Curso de Termodinâmica Aplicada Histórico Termodinâmica –THERME: Calor –DYNAMIS: Potência, força

5 Curso de Termodinâmica Aplicada

6 Curso de Termodinâmica Aplicada

7 Curso de Termodinâmica Aplicada

8 Curso de Termodinâmica Aplicada Antoine-Laurent de Lavoisier (Paris, 26 de agosto de 1743 Paris, 8 de maio de 1794) foi um químico francês, considerado o criador da Química moderna. Foi o primeiro cientista a enunciar o princípio da conservação da matéria. Além disso identificou e batizou o oxigênio. Os trabalhos de Lavoisier assinalam, no século XVIII, o início da Química moderna. Escreveu um grande Tratado Elementar de Química, assumindo a inspeção nacional das companhias de fabricação de pólvora e foi arrecadador de impostos, cargo pelo qual foi guilhotinado durante o período de Terror durante a Revolução Francesa. Além de químico, Lavoisier também foi um financista. Afirmava nesta teoria que o calor era uma substância elástica, indestrutível e imponderável que os materiais libertavam, aquecendo-os tendo origem no fogo. No entanto esta teoria nunca foi muito bem aceite, sendo contestada desde a sua apresentação.

9 Curso de Termodinâmica Aplicada Benjamin Thompson (Conde de Rumford), Massachusetts ( ) Foi aprendiz numa loja, professor a tempo parcial, ginasta e estudante de medicina, interessando em máquinas elétricas. Aos 18 anos casou-se com uma senhora viúva muito rica de 30 anos e decidiu tornar-se um cavalheiro militar e fazendeiro. Atuou como agente secreto a favor da Inglaterra e em 1776 prudente mudar-se para lá e retomando assim os seus interesses científicos. Em 1782, voltou para a América tendo cumprindo o seu papel como soldado na guerra que iria terminar no ano seguinte. Foi nomeado Sir por George III e indicado como Conselheiro do Governador da Bavária reformulando as condições do exército, estabelecendo serviços de assistência social para os pobres. Ganhou assim o título de Conde de Rumford e muito prestígio entre a sociedade. Permaneceu durante 14 anos, altura em que se mudou para Londres, em Mudou-se para Paris em 1805 e casou- se com Marie Lavoisier, viúva do seu famoso rival das suas teorias sobre o calor. No entanto, as freqüentes brigas e desentendimentos levam o casal ao divórcio. Morre a 1814 com 61 anos. Quando dois corpos dotados de temperaturas diferentes são postos em contato, ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. Durante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro. Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A idéia de que o calor é uma substância não podia, contudo, resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a Benjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson trabalhava para o governo da Baviera, como supervisão na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de ferro. Durante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes, havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas idéias abstratas em física: o princípio da conservação. De fato, neste caso havia duas quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado. Após realizar uma série de experiências e tentar explicá-las a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa que "... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências, era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil, se não realmente impossível, formar uma idéia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a menos que essa coisa seja movimento".

10 Curso de Termodinâmica Aplicada Um Experimento de Benjamin Thompson

11 Curso de Termodinâmica Aplicada Joule e seu experimento JOULE, James Prescott (1818 – 1889) A quantidade de calor necessária para elevar de 1°F uma libra de água equivale ao trabalho mecânico capaz de erguer 772 libras à altura de 1 pé [1cal=4,8 J]

12 Curso de Termodinâmica Aplicada A primeira locomotiva a vapor foi construída por Richard Trevithick e fez o seu primeiro percurso em 21 de Fevereiro de Richard Trevithick (13 de Abril de de Abril de 1833) foi um inventor britânico nascido em Illogan, Cornwall. Trevithick foi um pioneiro cujas invenções eram avançadas demais para a sua época; além das locomotivas, construiu barcos a vapor, máquinas de debulhar e de dragar, no entanto nunca conseguiu investidores que o ajudassem a desenvolver as suas invenções. Em 1816, Trevithick mudou-se para o Peru para trabalhar como engenheiro nas minas e construir locomotivas que as servissem. Apesar do suceeso inicial, o começo da guerra civil em 1826 forçou-o a voltar a Inglaterra sem um tostão. Apesar do seu génio inventivo, Trevithick morreu na pobreza e na obscuridade e os seus inventos muito pouco reconhecidos.

13 Curso de Termodinâmica Aplicada Termodinâmica e suas aplicações

14 Curso de Termodinâmica Aplicada Refrigeração

15 Curso de Termodinâmica Aplicada Condensador Compressor Tubos & Mangueiras Condicionador de Ar Automotivo Evaporador HVAC Caixa de ar

16 Curso de Termodinâmica Aplicada Bancada experimental

17 Curso de Termodinâmica Aplicada Geração de Energia

18 Curso de Termodinâmica Aplicada Sistemas de Vapor

19 Curso de Termodinâmica Aplicada Cap. 1 - Conceitos introdutórios e definições Sistema, Meio, Fronteira; Sistema fechado e Volume de controle Volume de controle ou sistema aberto Sistema fechado com as válvulas fechadas

20 Curso de Termodinâmica Aplicada Conceitos introdutórios e definições Propriedade, Estado, Processo; Propriedades intensivas e propriedades extensivas; Densidade, pressão, temperatura, energia específica. Massa, volume, energia. Ciclo termodinâmico; Regime permanente ou estado estacionário; Fase ( comp. quím. e física hom.) e Substância pura ( comp. Quím. hom.). Água e gelo é substância pura? Ar é substância pura?

21 Curso de Termodinâmica Aplicada Equilíbrio Um estado de um sistema é um estado de equilíbrio se ele tende a permanecer depois que as interações entre o sistema e o meio são interrompidas (isolado). Equilíbrio Mecânico Equilíbrio Térmico Equilíbrio Químico Equilíbrio de Fases Equilíbrio Termodinâmico

22 Curso de Termodinâmica Aplicada Processo de não-equilíbrio e processo de quase-equilíbrio Processo de não-equilíbrio: Processo de quase-equilíbrio: 300°C 30°C 300°C 30, °C

23 Curso de Termodinâmica Aplicada Processo de não-equilíbrio

24 Curso de Termodinâmica Aplicada Densidade e volume específico: [kg/m 3 - m 3 /kg] Pressão: [Pa, bar, lbf/in 2,...] Equilíbrio térmico e temperatura: [K, °C, R, °F] web.unido.it Lei Zero da Termodinâmica

25 Curso de Termodinâmica Aplicada Temperatura Absoluta curvas isobáricas de Charles (Jacques Charles, ) Joseph-Louis Gay-Lussac um gás teria um volume nulo (zero) se a temperatura for de -273,15 °C. Como qualquer volume menor do que isso é impensável, então pode-se concluir que esta temperatura é a menor possível de ser atingida. Esta temperatura é chamada de zero absoluto. A escala absoluta da temperatura foi desenvolvida (mais tarde) por Lord Kelvin e é conhecida, hoje, como Escala Kelvin. Nesta escala, -273,15 °C corresponde a 0 K. A temperatura de fusão do gelo, então, é de +273,15 K, e a de ebulição da água é de +373,15 K. A conversão entre as escalas pode ser feita conforme a expressão abaixo: T(K) = T(°C) - 273,15

26 Curso de Termodinâmica Aplicada Leis Principais da Termodinâmica A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura. Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante". A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo". A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.

27 Curso de Termodinâmica Aplicada Cap. 2 – Energia e a Primeira Lei A etimologia da palavra tem origem no idioma grego, onde εργοs (ergos) significa "trabalho". A rigor é um conceito primordial, aceito pela Física sem definição, se refere "ao potencial inato para executar trabalho ou realizar uma ação" Formas de energia – pode ser armazenada, transferida ou convertida. A quantidade total é conservada (Princípio da Conservação da Energia). Unidade: joule [J]=[N.m]=[kg.m 2 /s 2 ] - Energia cinética - Energia potencial (ou gravitacional) - Energia química,.... galileu.globo.com

28 Curso de Termodinâmica Aplicada Princípio da Conservação da Energia Joule: Não perderei tempo repetindo e estendendo essas experiências, pois estou seguro de que os grandes agentes da natureza são indestrutíveis, pelo fiat do Criador; e que quando se gasta poder mecânico, obtém-se sempre um calor exatamente equivalente.

29 Curso de Termodinâmica Aplicada Trabalho Chutador de retaguarda Q +W +

30 Curso de Termodinâmica Aplicada Trabalho

31 Curso de Termodinâmica Aplicada Trabalho

32 Curso de Termodinâmica Aplicada Trabalho

33 Curso de Termodinâmica Aplicada

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37 Calor Energia em transito devido unicamente à diferença de temperatura e que não está associado à transferência de massa Processo adiabático Taxa de transferência de calor

38 Curso de Termodinâmica Aplicada Primeira Lei

39 Curso de Termodinâmica Aplicada Cap. 3 Propriedades Termodinâmicas Propriedades de substâncias puras Substância impura

40 Curso de Termodinâmica Aplicada A Superfície p-v-T Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica

41 Curso de Termodinâmica Aplicada Projeções da Superfície p-v-T Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica

42 Curso de Termodinâmica Aplicada Projeções da Superfície p-v-T Subst. que expande quando solidifica Subst. que contrai quando solidifica

43 Curso de Termodinâmica Aplicada Mudança de fase

44 Curso de Termodinâmica Aplicada P-v

45 Curso de Termodinâmica Aplicada A propriedade título

46 Curso de Termodinâmica Aplicada Gás ideal Lei de Boyle processo isotérmico (T=cte) Lei de Charles processo isocórico (V=cte) 2° Lei de Charles processo isobárico (p=cte) Faixa de Validade

47 Curso de Termodinâmica Aplicada Fator de compressibilidade Faixa de validade Tr>2.0 Pr<0.1 ou 0.01

48 Curso de Termodinâmica Aplicada O Diagrama Generalizado de Compressibilidade

49 Curso de Termodinâmica Aplicada Outras propriedades Entalpia Entalpia específica Calores específicos, c v e c p

50 Curso de Termodinâmica Aplicada Gás ideal

51 Curso de Termodinâmica Aplicada

52 c p para gases ideais

53 Curso de Termodinâmica Aplicada A Segunda Lei da Termodinâmica Pode qualquer processo acontecer?

54 Curso de Termodinâmica Aplicada Pode qualquer processo acontecer?

55 Curso de Termodinâmica Aplicada Pode qualquer processo acontecer?

56 Curso de Termodinâmica Aplicada Usos da Segunda Lei

57 Curso de Termodinâmica Aplicada Enunciado de Clausius

58 Curso de Termodinâmica Aplicada Enunciado de Kelvin - Planck

59 Curso de Termodinâmica Aplicada Os corolários de Carnot

60 Curso de Termodinâmica Aplicada O corolário de Clausius

61 Curso de Termodinâmica Aplicada Equação de balanço de entropia para sistema fechados

62 Curso de Termodinâmica Aplicada Equações de balanço de entropia

63 Curso de Termodinâmica Aplicada A escala Kelvin de temperatura


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