Slide - Primeira Lei da Termodinâmica - Sistema Aberto - Termodinâmica - 2023-2

1ª Lei da Termodinâmica Sistema Aberto (ou Volume de Controle) ZEA0466 – Termodinâmica - FZEA/USP Profa Izabel C. F. Moraes Leitura prévia: cap 5 (tópico 5.1-5.3 páginas 216-229). Cengel & Boles. Termodinâmica. Ed McGraw Hill. 7ª ed. Objetivos: ✓ Desenvolver o princípio de conservação de massa ✓ Aplicar o princípio de conservação de massa a diversos volumes de controle (ou sistemas aberto) ✓ Identificar a energia transportada por uma corrente de fluido que atravessa uma superfície de controle ✓ Aplicar o balanço de energia em sistema aberto Como escrever a 1ª lei para um volume de controle (VC) (ou sistema aberto)? ??????? Balanço de massa em um sistema aberto ou volume de controle (vc) Agrupando os termos e dividindo por t: Ferreira, MS. Politécnica/USP. SI [=] kg/s Para uma entrada e uma saída Balanço de massa (ou conservação de massa) Em regime permanente Pode ser expresso como: Generalizando para várias entradas e saídas, tem-se: ???? 1ª Lei da Termodinâmica: volume de controle (VC) BALANÇO DE ENERGIA (ou conservação de energia) Taxa de variação de energia contida no volume de controle num tempo “t” = Taxa líquida de transferência de energia por calor entre o VC e suas vizinhanças num tempo “t” Taxa líquida de transferência de energia por trabalho entre o VC e suas vizinhanças num tempo “t” - - Taxa líquida de energia transferida para o VC pela massa que cruza suas fronteiras Conservação de energia No instante t E_{vc}(t) meee Qvc Wvc E = E_{vc}(t) + m_e \left( u_e + \frac{V_e^2}{2} + gz_e \right) E = E_{vc}(t+\Delta t) + m_s \left( u_s + \frac{V_s^2}{2} + gz_s \right) E_{vc}(t) + m_e \left( u_e + \frac{V_e^2}{2} + gz_e \right) + Q_{vc} - W = E_{vc}(t+\Delta t) + m_s \left( u_s + \frac{V_s^2}{2} + gz_s \right) E_{vc}(t+\Delta t) - E_{vc}(t) = m_e \left( u_e + \frac{V_e^2}{2} + gz_e \right) - m_s \left( u_s + \frac{V_s^2}{2} + gz_s \right) + Q_{vc} - W Dividindo por \Delta t e aplicando o limite (\Delta t \rightarrow 0): \frac{dE_{vc}}{dt} = \dot{m_e} \left( u_e + \frac{V_e^2}{2} + gz_e \right) - \dot{m_s} \left( u_s + \frac{V_s^2}{2} + gz_s \right) + \dot{Q}_{vc} - \dot{W} No instante t+Δt E_{vc}(t+Δt)\nmses Conservação de energia ???? Potência de fluxo SI [=] (Pa).(m2).(m/s) = J/s Watts (W) SI [=] (Pa).(m2).(m) = Joule (J) Vazão volumétrica Vazão mássica Primeira Lei da Termodinâmica para Volume de controle (VC) Substituindo essa equação na equação acima (BE), temos: Por definição h = u + pv ሶ𝑊𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 = ሶ −𝑚𝑒𝑝𝑒𝑣𝑒 + ሶ𝑚𝑠𝑝𝑠𝑣𝑠 Primeira Lei da Termodinâmica para Volume de controle (VC) Generalizando para várias saídas e entradas, temos: Para uma entrada e uma saída Para o Regime Permanente: hipóteses simplificadoras ✓VC fixo em relação ao referencial (não há Waceleração) ( As velocidades do fluido nas entradas e saídas são velocidades relativas ao VC, neste caso, absolutas) ✓ O estado de massa em cada ponto do VC não varia com o tempo ✓ As taxas nas quais o calor e o trabalho cruzam a superfície de controle permanecem constantes Regime Permanente ✓ Considerando um VC com 1 entrada e 1 saída Substituindo a vazão mássica na Eq. Acima, tem-se: Dividindo pela vazão mássica SI [=] J/s = W SI [=] J/kg Feixe de tubos Trocador de calor tipo casco e tubo https://www.youtube.com/watch?v=hxhB3k0vh2g Bomba centrífuga Animação: https://www.youtube.com/watch?v=BaEHVpKc-1Q Compressores Funcionamento de uma turbina https://www.youtube.com/watch?v=SPg7hOxFItI Exercícios: 1) Ar a 100 kPa e 280 K é comprimido em regime permanente até 600 kPa e 400 K. O fluxo de massa de ar é 0,02 kg/s, e ocorre uma perda de calor de 16 kJ/kg durante o processo. Assumindo que as variações nas energias cinética e potencial são desprezíveis, determine a potência necessária para esse compressor. (Figura 5-27) 2) O refrigerante R-134ª entra no tubo capilar de um refrigerador como líquido saturado a 0,8 MPa e é estrangulado até uma pressão de 0,12 MPa. Determine o título do refrigerante na saída e a queda de temperatura durante o processo. (Figura 5-31) OBRIGADA CUIDEM-SE!!!!