Curso de Termodinâmica Aplicada Prof. Luís Mauro Moura  Curso de Engenharia Mecânica - CEM  Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR   Telefone: (41) 3271-1341   e-mail:    Luis.moura@pucpr.br Engenheiro Mecânico formado pela UFSC em 1990 com mestrado em Ciências Térmicas também pela UFSC em 1993. Realizou doutorado No Institut de Sciences Appliquées de Lyon, INSA de Lyon - França na área de Ciências Térmicas e Energia, com obtenção em 1998. 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. Curso de Termodinâmica Aplicada

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

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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. Curso de Termodinâmica Aplicada

Benjamin Thompson (Conde de Rumford), Massachusetts (1753 - 1814) 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 1798. 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".” Curso de Termodinâmica Aplicada

Um Experimento de Benjamin Thompson Curso de Termodinâmica Aplicada

Joule e seu experimento “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]” JOULE, James Prescott (1818 – 1889) 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 1804. Richard Trevithick (13 de Abril de 1771 - 22 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. Curso de Termodinâmica Aplicada

Termodinâmica e suas aplicações Curso de Termodinâmica Aplicada

Refrigeração Curso de Termodinâmica Aplicada

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

Bancada experimental Curso de Termodinâmica Aplicada

Geração de Energia Curso de Termodinâmica Aplicada

Sistemas de Vapor Curso de Termodinâmica Aplicada

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

Equilíbrio Equilíbrio Termodinâmico Mecânico Térmico Químico de Fases Equilíbrio Termodinâmico 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). Curso de Termodinâmica Aplicada

Processo de não-equilíbrio e processo de quase-equilíbrio Curso de Termodinâmica Aplicada

Processo de não-equilíbrio www.martinoauto.it www.castrol.com/castrol www.mailxmail.com/curso/vida/motoresdecombustion Curso de Termodinâmica Aplicada

Densidade e volume específico: [kg/m3 - m3/kg] Pressão: [Pa, bar, lbf/in2,...] Equilíbrio térmico e temperatura: [K, °C, R, °F] www.qmc.ufsc.br/ Lei Zero da Termodinâmica web.unido.it www.feiradeciencias.com.br Curso de Termodinâmica Aplicada

Temperatura Absoluta www.qmc.ufsc.br curvas isobáricas de Charles (Jacques Charles, 1746- 1823) 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 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. 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.m2/s2] - Energia cinética - Energia potencial (ou gravitacional) - Energia química, .... galileu.globo.com www.fisica-potierj.pro.br 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.” Curso de Termodinâmica Aplicada

Trabalho Q + W + Chutador de retaguarda www.humornaciencia.com.br Curso de Termodinâmica Aplicada

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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 Curso de Termodinâmica Aplicada

Primeira Lei Curso de Termodinâmica Aplicada

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

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

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

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

Mudança de fase Curso de Termodinâmica Aplicada

P-v Curso de Termodinâmica Aplicada

A propriedade “título” 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 Curso de Termodinâmica Aplicada

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

O Diagrama Generalizado de Compressibilidade Curso de Termodinâmica Aplicada

Outras propriedades Entalpia Entalpia específica Calores específicos, cv e cp Curso de Termodinâmica Aplicada

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cp para gases ideais Curso de Termodinâmica Aplicada

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

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Usos da Segunda Lei Curso de Termodinâmica Aplicada

Enunciado de Clausius Curso de Termodinâmica Aplicada

Enunciado de Kelvin - Planck Curso de Termodinâmica Aplicada

Os corolários de Carnot Curso de Termodinâmica Aplicada

O corolário de Clausius Curso de Termodinâmica Aplicada

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

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A escala Kelvin de temperatura Curso de Termodinâmica Aplicada