Máquinas Térmicas Prof. Dr. José Eduardo Salgueiro Lima Seção 3 - Conceitos e Princípios Básicos.

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1 Máquinas Térmicas Prof. Dr. José Eduardo Salgueiro Lima Seção 3 - Conceitos e Princípios Básicos

2 Objetivos: O aluno deverá rever os conceitos e as leis da termodinâmica.

3 Resumo 1.Energia Cinética; 2.Energia Potencial; 3.Energia Interna; 4.1ª Lei da Termodinâmica para mudança de estado; 5.Entalpia – Propriedade Termodinâmica. 6.1ª Lei da Termodinâmica para volume de controle. 7.2ª Lei da Termodinâmica.

4 Modos de Energia Energia Cinética Energia Potencial Energia Interna (outras formas) Trabalho Calor criação DI

5 Energia Cinética A variação de energia cinética é a quantidade de trabalho que teve que ser realizado sobre um objeto para modificar a sua velocidade. criação DI

6 Energia Potencial Energia Potencial (Ep) é a forma de energia que se encontra em um determinado sistema e que pode ser utilizada a qualquer momento para realizar trabalho. criação DI

7 Energia Interna (continuação) Energia Interna (U) – associada a todas as outras formas de energia, é a energia interna de uma dada massa de uma substância. A energia interna de um sistema depende apenas do estado físico deste. A Energia Interna é denotada pela letra U quando for energia interna total e u, quando se tratar de energia interna específica (tabelado). Sendo: u – energia interna específica; U – energia interna total; m – massa do sistema.

8 Energia Total A Energia Total é a composição das três parcelas; energia cinética, energia potencial e energia interna.

9 Energia Total (continuação) Quando uma substância é composta por uma parcela na fase líquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturação, seu título (x) é definido como a razão entre a massa de vapor e a massa total do sistema.

10 1ª Lei da Termodinâmica para uma Mudança de Estado num Sistema

11 Exercício 1.Um vaso rígido contém 0,75 kg de água. Inicialmente, a temperatura e a pressão são iguais a 300°C e 1200 kPa. A água é então resfriada até que a pressão atinja 300 kPa. Determine a temperatura no estado final do processo, o trabalho realizado e o calor transferido no processo descrito. Q = 1147,99 2.Conjunto cilindro-pistão contém 1 kg de água. Inicialmente, a tem5operatura da água e o volume interno do conjunto são iguais a 20°C e 0,1 m3. O pistão então é travado e transfere-se calor à água até que o estado de vapor saturado seja atingido. Determine a temperatura da água no estado final e o calor transferido no processo. Q = 2512,3kJ

12 Exercício Resolução: Apêndice B tabela B1.3 Van Wylen Vapor superaquecido Estado 1 Estado 2 p2=300 kPa=0,3 MPa água sob pressão B1.2 Van Wylen v1=v2

13 Exercício 1.Um vaso rígido contém 0,75 kg de água. Inicialmente, a temperatura e a pressão são iguais a 300°C e 1200 kPa. A água é então resfriada até que a pressão atinja 300 kPa. Determine a temperatura no estado final do processo, o trabalho realizado e o calor transferido no processo descrito. Q = 1147,99 2.Conjunto cilindro-pistão contém 1 kg de água. Inicialmente, a tem5operatura da água e o volume interno do conjunto são iguais a 20°C e 0,1 m3. O pistão então é travado e transfere-se calor à água até que o estado de vapor saturado seja atingido. Determine a temperatura da água no estado final e o calor transferido no processo. Q = 2512,3kJ

14 Propriedade Termodinâmica Entalpia (h) H = U + VP Por unidade de massa: h = u + Pv Nesta situação: h = h l + xh lv

15 Propriedade Termodinâmica Entalpia (h) A transferência de calor num processo quase-estático a pressão constante é igual a variação de entalpia e esta inclui a variação de energia interna e o trabalho neste processo. Assim, o resultado não é, de modo algum, geral e só é valido para esse caso especial onde o trabalho realizado durante o processo é igual a diferença do produto pV entre os estados final e inicial. (continuação)

16 1ª Lei da Termodinâmica para Regime Permanente

17 Trocadores de Calor Um trocador de calor é um equipamentos onde ocorre a transferência de calor de um fluido para outro. Normalmente, o trocador de calor opera em regime permanente. Não realiza trabalho. As variações de energia cinética e potencial normalmente são pequenas (desprezadas).

18 Bocais Os bocais são dispositivos utilizados para gerar escoamentos com velocidades altas a partir de uma queda de pressão. Normalmente, estes dispositivos operam em regime permanente. Não realiza trabalho. A variação de energia potencial do escoamento é nula ou é muito pequena. Usualmente, a transferência de calor também é muito pequena (desprezada). A energia cinética do fluido na seção de alimentação do bocal normalmente pode ser desprezada se seu valor não for conhecido.

19 Difusores Os difusores são dispositivos construídos para desacelerar os escoamentos. Assim, torna-se possível aumentar a pressão num escoamento a partir da variação da velocidade do fluido. Normalmente, estes dispositivos operam em regime permanente e seu comportamento é o inverso daquele dos bocais. As hipóteses utilizadas na modelagem dos escoamentos nos difusores são similares às utilizadas nos bocais. A energia cinética na seção de entrada dos difusores é alta e é baixa na seção de descarga (mas, normalmente não é desprezível em relação aos outros termos da equação).

20 Restrição O processo de estrangulamento ocorre quando um fluido escoa numa linha e subitamente encontra uma restrição na passagem do escoamento. Esta restrição pode ser constituída por: uma placa com um pequeno furo, uma válvula parcialmente aberta, uma mudança brusca de seção de escoamento ou um tubo com diâmetro reduzido.

21 Turbina A turbina é um equipamento rotativo, que normalmente opera em regime permanente, dedicado a produção de trabalho de eixo (ou potência). O trabalho realizado na turbina é produzido a partir da queda de pressão do fluido de trabalho. Normalmente, as variações de energia potencial são desprezíveis bem como a energia cinética. A transferência de calor da turbina para o meio ambiente normalmente é muito pequena.

22 Compressor/Bomba Os compressores (operam com gases) e as bombas (operam com líquidos) são equipamentos utilizados para aumentar a pressão no fluido pela adição de trabalho de eixo. Normalmente: As variações de energia potencial são desprezíveis bem como a energia cinética. Como regra geral, nós iremos admitir que o processo de compressão é adiabático a não ser que especifiquemos o contrário.

23 Exercícios 03. A figura abaixo mostra o esquema de uma bomba de calor que opera com R-12. A vazão de refrigerante é 0,05 kg/s, a potência de acionamento do compressor é 4 kw e as condições operacionais do ciclo são: Nestas condições calcule: a) A taxa de calor transferido no compressor; -0,68 kW b) A taxa de calor transferido do R-12 no condensador; -9,04 kW c) A taxa de calor transferido para o R-12 no evaporador; 5,7 kW

24 Exercícios 04. Vapor d'água a 0,8 MPa e 500°C entra num bocal isolado termicamente com uma velocidade desprezível e sai, com velocidade de 636 m/s, a pressão de 0,1MPa. Determine, no estado final, a temperatura do vapor se este estiver superaquecido ou o título se estiver saturado.

25 Exercícios 05. Considerando a figura referente ao exercício dois e sendo fornecido os dados abaixo: - Trabalho da bomba: 30 kJ/kg. -x4 = 95%. Calcule: a) Calor fornecido ao sistema, Q H. b) Trabalho da turbina. c) Rendimento do ciclo. Sabendo-se que a máquina utiliza água como fluido de trabalho.

26 Segunda Lei da Termodinâmica Existem dois enunciados clássicos da segunda lei, conhecidos como enunciado de Kelvin-Planck e enunciado de Clausius (refrigerador ou bomba de calor). Enunciado de Kelvin-Planck: é impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e troca de calor com um único reservatório térmico.

27 Segunda Lei da Termodinâmica (continuação) Esse enunciado estabelece que é impossível construir um motor térmico que opere segundo um ciclo que receba uma determinada quantidade de calor de um corpo a alta temperatura e produza uma igual quantidade de trabalho. A única alternativa é que alguma quantidade de calor deve ser transferida do fluido de trabalho a baixa temperatura para um corpo a baixa temperatura.

28 Segunda Lei da Termodinâmica (continuação) Isso significa que é impossível construir um motor térmico que apresente eficiência térmica igual a 100%.

29 Segunda Lei da Termodinâmica (continuação) Assim é impossível construir uma máquina térmica com rendimento ideal, isto é, que transforme todo o calor recebido em trabalho mecânico. Até o ano de 1824 isso ainda não havia sido comprovado e vários cientistas buscavam a construção de uma máquina que operasse com 100% de rendimento. Foi quando o físico e engenheiro militar Nicolas Léonard Sadi Carnot propôs uma máquina térmica idealizada, estabelecendo um ciclo ideal, que ficou conhecido como ciclo de Carnot.

30 Exercício Uma máquina térmica, operando em regime permanente, recebe 500000 kcal/h de uma fonte quente e produz uma potência de 260 HP. Calcular: a)O fluxo de calor transferido para a fonte fria. b)O rendimento térmico da máquina. c)A variação de entropia que ocorre na fonte quente e na fonte fria, cujas temperaturas são respectivamente, 400 °C e 50°C.