TRABALHO E CALOR.

Apresentação em tema: "TRABALHO E CALOR."— Transcrição da apresentação:

1 TRABALHO E CALOR

2 Define-se trabalho como o produto do valor da força aplicada sobre um corpo pelo deslocamento, que esse corpo sofre na direção da força.

3 Convenção de sinais TRABALHO REALIZADO POR UM SISTEMA = + (POSITIVO) TRABALHO REALIZADO SOBRE UM SISTEMA = - (NEGATIVO)

4 DEFINIÇÃO DE TRABALHO

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6 1 J = 1 N.m 1 W = J/s UNIDADE DE TRABALHO UNIDADE DE POTENCIA
Trabalho realizado por unidade de tempo 1 W = J/s

7 Trabalho realizado devido ao movimento de fronteira de um sistema compressível simples
Demonstração

8 Demonstração

9 FUNÇÕES DE PONTO E FUNÇÕES DE LINHA

10 FORMAS DE CALCULAR TRABALHO
GRÁFICA ANALÍTICA

11 PROCESSO POLITRÓPICO

12 GÁS IDEAL

13 exemplos Consideremos como sistema o gás contido no cilindro, provido de um êmbolo sobre o qual são colocados vários pesos pequenos. A pressão inicial é de 200 kPa e o volume inicial do gás é de 0,04 m3 a) Coloquemos um bico de Bunsen embaixo do cilindro e deixemos que o volume do gás aumente para 0,1 m3, enquanto a pressão permanece constante. Calcular o trabalho realizado pelo sistema durante este processo. b) Consideremos o mesmo sistema e as mesmas condições iniciais, porém, ao mesmo tempo que o bico de Bunsen está sob o cilindro e o êmbolo se levanta a temperatura do gás se mantém constante. Calcular o trabalho (CONSIDERE COMPORTAMENTO DE GÁS IDEAL) c) Consideremos o mesmo sistema, porém durante a transferência de calor, o processo apresenta o comportamento PV1,3 = constante. Calcular o trabalho.

14 DEFINIÇÃO DE calor (q) Forma de transferência de energia, através da fronteira de um sistema numa dada temperatura, a um outro sistema numa temperatura inferior

15 Unidades de calor 1 caloria = 4,1868 J (exatamente)
SISTEMA INTERNACIONAL = JOULE (J) 1 caloria = 4,1868 J (exatamente)

16 Convenção de sinais CALOR TRANSFERIDO PARA UM SISTEMA= + (POSITIVO) CALOR TRANSFERIDO DE UM SISTEMA= - (NEGATIVO) Q= 0 (PROCESSO ADIABÁTICO)

17 COMPARAÇÃO ENTRE CALOR E TRABALHO
Calor e trabalho são fenômenos transitórios. Os sistemas nunca possuem calor e trabalho, porém qualquer um deles, ou ambos, atravessam a fronteira do sistema quando este sofre uma mudança de estado Tanto o calor como o trabalho são fenômenos de fronteira

18 Comparação entre calor e trabalho
Espiras de resistência elétrica são enroladas ao redor do recipiente O calor atravessa a fronteira do sistema, porque a temperatura da parede é superior a temperatura do gás O trabalho atravessa a fronteira do sistema, porque a eletricidade atravessa a fronteira do sistema

19 Primeira lei da termodinâmica

20 Primeira Lei da Termodinâmica para um sistema percorrendo um ciclo

21 Primeira Lei da Termodinâmica para um sistema percorrendo um ciclo
Trabalho é fornecido ao sistema pelas pás que giram à medida que o peso desce O sistema volta ao estado inicial pela transferência de calor do sistema até que o ciclo seja completado

22 Primeira Lei da Termodinâmica para mudança
de estado de um sistema DEMONSTRAÇÃO

23 Energia de um sistema termodinâmico
Energia cinética: atreladas ao movimento de todo o sistema e ao movimento das partículas que o constituem. Energias potenciais: devido às interações com o ambiente externo expressas via campos gravitacionais, elétricos ou magnéticos e devido às interações entre as moléculas, íons, átomos, elétrons, núcleos que constituem esse sistema.

24 Energia interna A energia interna  de um sistema termodinâmico onde massa e energia são tratadas como grandezas não relacionadas corresponde à soma das suas energias microscópicas.

25 Energia interna Nível microscópico, inacessível aos nossos sentidos, abarcando a soma das energias cinéticas das partículas constituintes - atrelada ao movimento térmico dessas -; as energias potenciais de todas as interações entre tais partículas microscópicas, com destaque para a elétrica no caso das energias nas ligações químicas (energia química) e para a nuclear no caso das energias de interação entre núcleos (energia nuclear);

26 Equação da Primeira Lei

27 exemplo 1 - Um fluido, contido num tanque, é movimentado por um agitador. O trabalho fornecido ao agitador é 5090 kJ e o calor transferido do tanque é 1500 kJ. Considerando o tanque e o fluido como sistema, determinar a variação da energia deste.

28 exemplo 2 – Um recipiente, com volume de 5 m3, contém 0,05 m3 de água líquida saturada e 4,95 m3 de água no estado de vapor saturado a pressão de 0,1 MPa. Calor é transferido à água até que o recipiente contenha apenas vapor saturado. Determinar o calor transferido nesse processo.

29 A propriedade termodinâmica entalpia
DEMONSTRAÇÃO

30 exemplo Um cilindro provido de pistão contém 0,5 kg de vapor d’ água a 0,4 MPa e apresenta inicialmente um volume de 0,1 m3. Transfere-se calor ao vapor até que a temperatura atinja 300ºC, enquanto a pressão permanece constante. Determinar o calor transferido e o trabalho realizado nesse processo

31 Calores específicos a volume e a pressão constante

32 EXPERIÊNCIA DE JOULE NÃO HÁ VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

33 exemplo Um cilindro provido de pistão apresenta volume inicial de 0,1 m3 e contém nitrogênio a 150 kPa e 25 ºC. Comprime-se o nitrogênio, movimentando o pistão até que a pressão seja 1 MPa e a temperatura 150ºC. Durante esse processo, calor é transferido do nitrogênio e o trabalho realizado sobre o nitrogênio é 20 kJ. Determinar o calor transferido. Rnitrogenio = 0,29680 kJ/kgK Cv0nitrogenio = 0,7448 kJ/kgK

34 exemplo Um décimo de mililitro de óleo de cozinha é colocado na câmara de um calorímetro a volume constante suficiente para que o óleo seja completamente queimado. A câmara se encontra em um banho de água, cuja massa é de 2,65 kg. O calorímetro é perfeitamente isolado, e inicialmente está a 25ºC. No estado em equilíbrio a temperatura é de 25,3ºC. Determine a variação de energia interna dos conteúdos da câmara em kcal por ml de óleo de cozinha. Banho de água óleo isolamento

35 Primeira Lei da Termodinâmica Aplicada a Volumes de Controle

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37 exemplo O fluxo de massa que entra numa turbina a vapor d’ água é de 1,5 kg/s e o calor transferido da turbina é 8,5 kW. São conhecidos os seguintes dados para o vapor d’água que entra e sai da turbina: Determinar a potência fornecida pela turbina Condições de entrada Condições de saída Pressão 2,0 MPa 0,1 Mpa Temperatura 350ºC Título 100% Velocidade 50 m/s 200 m/s Cota em relação ao plano de referência 6 m 3 m g = 9,8066 m/s2

38 exemplo Vapor d’água a 0,6 MPa e 200ºC entra num bocal isolado termicamente com uma velocidade de 50 m/s e sai, com velocidade de 600 m/s, a pressão de 0,15 MPa. Determinar no estado final, a temperatura final do vapor se este estiver superaquecido ou o título se estiver saturado.

39 Exemplo Consideremos a instalação motor a vapor simples mostrada na figura. Os seguintes dados referem-se a essa instalação. Localização Pressão Temperatura ou título Saída do gerador de vapor 2,0 MPa 300°C Entrada da turbina 1,9 MPa 290°C Saída da turbina, entrada do condensador 15,0 kPa 90% Saída do condensador, entrada da bomba 15,0 kPa 40°C Trabalho da bomba = 4 kJ/kg Determinar as seguintes quantidades, por kg de fluido que escoa através da unidade . 1 – Calor transferido na linha de vapor entre o gerador de vapor e a turbina 2 – Trabalho da turbina 3 – Calor transferido no condensador 4 – Calor transferido no gerador de vapor

40 exemplo O fluido refrigerante R-134a entra no compressor, de um sistema de refrigeração, a 200 kPa e -10ºC e sai a 1,0 MPa e 70ºC. A vazão é de 0,015 kg/s e a potência de acionamento do compressor é 1 kW. Determinar a taxa de transferência de calor do compressor Dado: he R134a = 392,34 kJ/kg hs R134a = 452,35 kJ/kg

41 continuação Após escoar pelo compressor, o R-134a entra num condensador, resfriado a água, a 1,0 MPa e 60ºC e sai como líquido a 0,95 MPa e 35ºC. A água de resfriamento entra no condensador a 10ºC e sai a 20ºC. Determinar a vazão de água de resfriamento no condensador. he R134a = 441,89 kJ/kg hs R134a = 249,10 kJ/kg

42 EXEMPLO O compressor centrífugo de uma turbina a gás recebe o ar do ambiente (atmosfera) onde a pressão é de 1 Bar (0,1 Mpa) e a temperatura é 300 K. Na saída do compressor a pressão é 4 Bar, a temperatura é 480 K e a velocidade do ar é 100 m/s. A vazão do ar é 15 kg/s. Determinar a potência necessária para acionar o compressor. Cpar = 1, 0035 kJ/kg K

43 EXEMPLO Ar é admitido em um compressor qie opera em regime permanente com uma pressão de 1 Bar (105 N/m2),temperatura igual a 290 K e uma velocidade de 6 m/s através de uma entrada cuja área é de 0,1 m2. Na saída a pressão é de 7 Bar, a temperatura é 450 K e a velocidade é 2 m/s. A transferência de calor do compressor para sua vizinhança ocorre numa taxa de 180 kJ/min. Empregando o modelo do gás ideal calcule a potência de entrada do compressor em kW Cpar = 1, 0035 kJ/kg K Rar = 287 Nm/kg K

44 EXEMPLO Uma bomba em regime permanente conduz água de um lago, com uma vazão volumétrica de 0,83 m3/min, através de um tubo com 12 cm de diâmetro de entrada. A água é distribuída através de uma mangueira acoplada a um bocal convergente. O bocal de saída possui 3 cm de diâmetro e está localizado a 10 m acima da entrada do tubo. A água entra a 20 ºC e 1 atm e sai sem variações significativas com relação à temperatura e pressão. A ordem de grandeza da taxa de transferência de calor da bomba para a vizinhança é 5% da potência de entrada. A aceleração da gravidade é 9,81 m/s2. Determine (a) a velocidade da água na entrada e na saída, ambas em m/s e (b) a potência requerida pela bomba em kW.