Ementa de Termodinâmica Aplicada - Engenharia Mecânica e Automotiva

TERMODINÂMICA APLICADAFBX4073A Horário 58 59 Aulas presenciais Local V401 CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA E ENGENHARIA AUTOMOTIVA SEMESTRE 234 Prof Dr Giovani Dambros Telli gdtelliucsbr EMENTA Introdução ao estudo da Termodinâmica através de suas aplicações Identificação dos principais conceitos e definições Caracterização das propriedades de uma substância pura Análise do trabalho e do calor Estudo da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica aplicada a sistemas que operam ciclicamente a sistemas fechados e a volumes de controle sistemas abertos OBJETIVO Identificar precisamente as variáveis os estados e os processos termodinâmicos envolvidos no funcionamento de equipamentossistemas de conversão de energia Competências C e Habilidades H C1 Identificar a importância do uso da energia no cotidiano associando os processos termodinâmicos aos dispositivos reais H1 Distinguir sistemas fechados de volumes de controle H2 Representar esquemas dos dispositivos com indicações dos estados envolvidos e das interações de energia entre eles e o meio H3 Representar estados processos e ciclos em diagramas de propriedades C2 Conceber e demonstrar à luz da 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica soluções para problemas de engenharia envolvendo conversão de energia H1 Identificar o modelo de substância mais adequado a cada contexto e o meio pelo qual suas propriedades são relacionadas tabelas diagramas e equações H2 Reconhecer os princípios físicos conservação da massa e da energia e identificar a presença de irreversibilidades aplicáveis em cada problema H3 Modelar o problema adequadamente com base nas equações fundamentais H4 Propor e verificar hipóteses simplificadoras H5 Consultar diagramas e tabelas de propriedades termodinâmicas H6 Realizar balanços de massa energia e entropia em sistemas fechados e em volumes de controle H7 Relacionar a impossibilidade de operação de processos e ciclos com os enunciados teoremas e princípios da 2ª Lei da Termodinâmica Disponíveis online na BVU ou Minha Biblioteca AVALIAÇÃO A nota final NF do aluno será composta por 3 notas N1 N2 e N3 As notas terão pesos crescentes de 1 15 e 2 respectivamente para a 1ª 2ª e 3ª áreas As notas parciais serão Nota 1 Prova 1 50 TDE 150 Nota 2 Prova 2 50 TDE 250 Nota 3 Prova 3 50 TDE 350 Aprovação Será aprovado o aluno que obtiver média final igual ou superior a 600 e frequência superior a 75 BREVE INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA Dentro das CIÊNCIAS MECÂNICAS se tem as CIÊNCIAS TÉRMICAS conjunto de ciências que se preocupa com o estudo da energia em transformação sendo transportada e com as formas de sua transferência As ciências básicas que estudam isso são a Termodinâmica a Mecânica dos Fluidos e a Transferência de Calor A importância de conhecer estas ciências reside no fato de que a grande maioria dos equipamentos e instalações do nosso cotidiano precisam de alguma forma de energia para operar Dentro das Ciências Mecânicas a partir dessas três disciplinas derivam as disciplinas de Máquinas Térmicas Refrigeração e Ar Condicionado Máquinas de Fluxo Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos A TERMODINÂMICA é a ciência que estuda a energia e suas transformações bem como as relações entre as várias propriedades das substâncias que estão envolvidas nessas transformações energéticas A Termodinâmica é mais conceitual que as outras duas Por exemplo na análise termodinâmica pouca atenção é dispensada aos mecanismos usados para transportar a energia calor Diversas são as áreas da engenharia em que a TERMODINÂMICA apresenta grande aplicação Em particular enfatizase as seguintes aplicações Instalações de geração de energia elétrica nas quais vários são os equipamentos envolvidos trocadores de calor máquinas de fluxo etc Instalações de cogeração de calor e potência Processos industriais instalações de vapor Instalações de ar comprimido Refrigeração industrial Climatização para conforto térmico e controle de processo ar condicionado de inverno e de verão etc A Termodinâmica tem seus fundamentos assentados sobre dois princípios 1º Princípio estende ao calor a lei da conservação da energia e o 2º Princípio possibilita a qualificação da energia O objeto da Termodinâmica consiste na dedução das consequências dos dois princípios aplicáveis a todos fenômenos naturais incluindo naturalmente o objetivo que motivou o nascimento desta ciência o qual seja o estudo da transformação de calor em trabalho nos motores térmicos Em todos os processos onde ocorrem transformações de energia utilizamse substâncias líquidas ou gasosas que se deslocam nas máquinas e aparelhos necessários e cujas propriedades termodinâmicas é importante conhecer Por esse motivo o A ciência Termodinâmica nasceu no século dezenove com a necessidade de descrever a operação das máquinas a vapor e de avaliar o limite do seu desempenho O próprio nome Termodinâmica denota potência desenvolvida a partir do calor e as suas aplicações foram voltadas para as máquinas térmicas das quais a máquina a vapor é um exemplo Contudo os princípios observados válidos para as máquinas foram rapidamente generalizados em postulados hoje conhecidos como a Primeira e a Segunda Leis da Termodinâmica A Termodinâmica compartilha com a Mecânica e com o Eletromagnetismo a forma de fundamentar suas leis Essas leis levam através de deduções matemáticas a um conjunto de equações que encontram aplicações em todos os ramos da ciência e da engenharia Exemplos de equipamentos térmicos Esquema de uma central termoelétrica de vapor Exemplos de equipamentos térmicos Esquema de um refrigerador Gerador de Vapor de uso industrial Queimador MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA CICLO OTTO E CICLO DIESEL Motores Ignição por Centelha ICE Motores Ignição por Compressão ICO Fonte Quente TH Fonte Fria TL MT ou R MT Fontes convencionais Fontes não convenc R Ar ambiente ou água MT Água de refrigeração em circuito aberto rio lago mar poço artesiano em circuito fechado usando Torre de resfriamento R Ar ambiente água ou outro produto Ciclos Motores MT Central Térmica CT a vapor CT a gás CT a ciclo combinado Ciclos avançados MCI Ciclo de Refrigeração R QH QL W Aplicações da Termodinâmica Máquinas Térmicas MT e Refrigeradores R Conceitos e definições importantes Substância pura possui composição química invariável e homogênea Fluidos termodinâmicos ou fluidos de trabalho substância utilizada nos dispositivos para gerar potência ou refrigeração tais como água ar amônia R22 R134a etc Conceitos e definições importantes Propriedades termodinâmicas são grandezas físicas que caracterizam o estado termodinâmico Estado termodinâmico conjunto de propriedades As PROPRIEDADES mais conhecidas são T P V Outras U H S Extensivas variam diretamente com a massa V U H S Toda propriedade extensiva dividida pela massa passa a ser intensiva vVm uUm hHm sSm Conceitos e definições importantes As propriedades termodinâmicas são diferenciais exatas e usaremos a notação dV dT dp dU dH dS As não propriedades como calor e trabalho são diferenciais inexatas e usaremos a notação δQ δW Calor e trabalho não são propriedades termodinâmicas Conceitos e definições importantes Processos termodinâmicos caminhos que ligam dois estados Ciclo conjunto de processos que retornam ao estado inicial ESTADO 1 ESTADO 2 ESTADO 1 T1 p1 V1 T2 p2 V2 T1 p1 V1 Conceitos e definições importantes Sistema quantidade de matéria com massa e identidade fixa sobre a qual realizamos um estudo A matéria se constitui no fluido de trabalho Fronteira de um sistema limite entre o sistema e a vizinhança O sistema se caracteriza por não permitir entrada nem saída de fluido de trabalho através da fronteira Não existe fluxo de massa pela fronteira Τ 𝑑𝑚𝑠 𝑑𝑡 0 Exemplo de sistema Conceitos e definições importantes Os sistemas se caracterizam por não possuir entrada e nem saída da massa através da fronteira sistema sistema meio fronteira Conceitos e definições importantes Volume de controle difere do sistema por permitir fluxo de massa através da superfície de controle Superfície de controle limite entre o volume de controle e a vizinhança Vizinhança ou meio tudo que não faz parte do sistema ou do volume de controle Conceitos e definições importantes Volume de controle pode ter entrada eou saída de massa através da superfície de controle Como exemplos temos turbina caldeira gerador de vapor condensador compressor bomba evaporador tanques de armazenamento bocais difusores etc Volume de controle Superfície de controle Conceitos e definições importantes Exemplo de volume de controle Volume de controle Superfície de controle W Fonte Fria TL Fonte Quente TH Turbina B TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA DE ENERGIA TÉRMICA EM ENERGIA MECÂNICA Trocador de Calor a alta T Trocador de Calor a baixa T Fronteira WT WB QH QL Vapor a alta P e T Líquido a alta P Máquina de Expansão Máquina de Compressão Bomba Vapor Líq a baixa P e T Líquido a baixa P e T MT Sistema Termodinâmico Vapor superaquecido LíquidoVapor Líquido saturado ou Subresfriado Líquido comprimido R Vapor superaquecido Líquido comprimido ou subresfriado Líqvapor a baixa p e T Vapor ligeiramente superaquecido VC 𝑇𝐿 𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑇𝐿 𝑇𝐻 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑇𝐻 CONCEITOS E DEFINIÇÕES IMPORTANTES PONTO DE VISTA MACROCÓPIO que lida com sistemas que por menor que sejam sempre há matéria contida neles Ideia do contínuo que tem validade quando as dimensões do sistema estudado livre caminho médio 𝜆 𝑞𝑢𝑒 é 𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑢𝑚𝑎 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑎𝑗𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑟 𝑐𝑜𝑚 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑎 Estamos interessados em estudar efeitos gerais ou médios que podem ser percebidos por nossos instrumentos de medição Não estamos interessados no comportamento específico de uma molécula Ponto de vista microscópico Termodinâmica estatística que se baseia na teoria da probabilidade SISTEMA DE UNIDADE Sistema Internacional SI ENERGIA é aquilo que causa uma mudança na configuração de um sistema em oposição a uma força que resiste à essa mudança Maxwell 1872 VOLUME ESPECÍFICO 𝑣 e MASSA ESPECÍFICA 𝜌 PRESSÃO 𝑝 referenciais absoluto e relativo 𝑣 𝑉 𝑚 1 𝜌 𝑚 𝑉 𝑣 𝜌𝑉 Lembrese 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑝𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑝𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑣𝑎𝑐𝑢𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑝0 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝐶𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 massa IGUALDADE DE TEMPERATURA Dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações em qualquer propriedade mensurável LEI ZERO DA TERMODINÂMICA ESCALAS DE TEMPERATURAS Temperatura em KELVIN Temp em Celcius 27315 Se A e B está em equilíbrio térmico com B e A também está em equilíbrio térmico com C Podemos concluir que B está em equilíbrio térmico com C Outras propriedades termodinâmicas além da pressão 𝑝 temperatura 𝑇 e volume específico 𝑣 Τ 1 𝜌 Energia total 𝑬 𝑼 𝑬𝑪 𝑬𝑷 𝑼 Energia interna e 𝒖 é a energia interna específica Entalpia 𝑯 𝑼 𝒑𝑽 e a entalpia específica 𝒉 𝒖 𝒑𝒗 Calor específico a volume constante 𝒄𝒗 e Calor específico a pressão constante 𝒄𝒑 Entropia 𝑺 e a entropia específica 𝒔 Conjunto cilindropistão Sistema H2O 𝑾 𝑝0 Ciclo motor a vapor com os diversos volumes de controle envolvendo fluxo de massa calor e trabalho VC VC VC VC Caldeira Exemplo 1 Ar está contido em um conjunto cilindropistão disposto na horizontal como mostrado na figura abaixo O ar é resfriado lentamente a partir do volume inicial 0003 m3 para o valor final de 0002 m3 Durante o processo a mola exerce uma força que varia linearmente a partir de uma força inicial de 900 N para um valor final de zero A pressão atmosférica é 100 kPa e a área do pistão é 0018 m2 Despreze o atrito entre as paredes do cilindro e o pistão Determine para o ar as pressões inicial e final em kPa AP0018 m2 patm 100 kPa 𝑝1 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎 100 𝑘𝑃𝑎 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑎1 𝐴𝑃 100 𝑘𝑃𝑎 900 𝑁 0018 𝑚2 1 1000 𝑘𝑃𝑎 𝑃𝑎 150 𝑘𝑃𝑎 𝑝2 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎 100 𝑘𝑃𝑎 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑎2 𝐴𝑃 100 𝑘𝑃𝑎 0 𝑁 0018 𝑚2 1 1000 𝑘𝑃𝑎 𝑃𝑎 100 𝑘𝑃𝑎 𝑄 50 𝑘𝑃𝑎 0 𝑘𝑃𝑎 𝑚𝑎𝑟 𝑉1 𝑣1 𝑉2 𝑣2 𝑐𝑡𝑒 𝑊 Exemplo 2 Sobre o pistão da figura ao lado atua uma mola linear e a pressão atmosférica externa é de 100 kPa O pistão tem 5 kg e seu diâmetro é de 100 mm A mola não exerce força no pistão quando esse está encostado no fundo do cilindro Inicialmente o ar exerce uma pressão interna de 400 kPa e o volume é de 04 L A válvula é aberta e ar entra no cilindro causando o levantamento do pistão de 20 mm Determine a pressão final Ar 𝑝12 𝑝2 𝑝1 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑝1 𝑚𝑃 𝑔 𝐴𝑃 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎1 𝑝0 𝑒 𝑝2 𝑚𝑃 𝑔 𝐴𝑃 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎2 𝑝0 𝑝12 𝑝2 𝑝1 𝑚𝑃 𝑔 𝐴𝑃 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎2 𝑝0 𝑚𝑃 𝑔 𝐴𝑃 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎1 𝑝0 𝑝12 𝑝2 𝑝1 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎2 𝑝𝑚𝑜𝑙𝑎1 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑎2 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑎1 𝐴𝑃 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑎 𝐿12 𝐴𝑃 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑎 𝑉12 𝐴𝑃 2 0 1 2 20 𝑚𝑚 𝑝2 𝑝1 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑎 𝑉12 𝐴𝑃 2 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑠𝑖çõ𝑒𝑠 0 𝑒 1 𝑡𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑝1 𝑝0 400 100 300 𝑘𝑃𝑎 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑎 𝑉10 𝐴𝑃 2 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑎 𝐴𝑃 2 300 04 103 750000 𝑘𝑃𝑎 𝑚3 𝑝2 400 𝑘𝑃𝑎 750000 𝑘𝑃𝑎 𝑚3 00001571𝑚3 5178 𝑘𝑃𝑎 𝑉12 𝐴𝑃