Post on 08-Jul-2015
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 1/20
CURSO DE GRADUAÇÃOENGENHARIA CONTROLE E AUTOMAÇÃO
6ºA
ROBERTO MOISÉS DA SILVA JUNIOR (RA.: 0900110)FELIPE ARAUJO COURA (RA.: 0808208845)
DANILO MASSUCATTO NOGUEIRA (RA.: 1801244445)
TERMODINÂMICAProfº Marco Maria
ATPS
SOROCABA06/2011
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 2/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
2
ÍNDICE
ETAPA 3 .................................................................................PG 3
ETAPA 4..................................................................................PG 8
ETAPA 5..................................................................................PG 13
BIBLIOGRAFIA......................................................................PG 20
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 3/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
3
ETAPA 3:
Passo 1:
A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia e,
apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a
energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.
Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada
de duas maneiras:
1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se
ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);
2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra
parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for
zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.
ΔU= Q – t
Sistema: e a parte do universo que estamos observando e estudando. Ex.: pode ser o vaso de
uma reação, pilha eletroquímica, etc.
Vizinhanças: são a parte externa do sistema de onde fazemos as observações e as medidas.
Sistema aberto: Quando a materia pode ser transferida através da fronteira entre o sistema e
as suas vizinhanças.
Sistema Fechado: Quando a matéria não pode passar através das fronteiras.
Sistema isolado: quando não há contato nem térmico nem mecânico com suas vizinhanças.Trabalho(W): propriedade física fundamental da termodinâmica. Há trabalho quando um
corpo e deslocado contra uma forca que se opõe ao deslocamento.
Energia: energia de um sistema e a sua capacidade de realizar trabalho.
Calor(q): transferência de energia que faz o uso do movimento caótico das moléculas.
Fronteira diatérmica: permeável a passagem de energia na forma de calor.
Fronteira adiabática: fronteira que não permite a transferência de energia na forma de calor.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 4/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
4
Processo exotérmico: processo que libera energia na forma de calor.
Processo endotérmico: processo que aborve energia na forma de calor. Calor se relaciona a
Movimento caótico/movimento térmico: A distinção entre trabalho e calor se faz nas
vizinhanças. Trabalho e a transferência de energia que faz o uso do movimento organizado
dos átomos ou moléculas das vizinhanças. O calor e identificado como a transferência de
energia que faz o uso do movimento térmico das partículas nas vizinhanças do sistema.
Energia Interna, (U): e a soma das energias cinética e potencial que compõe o sistema.
Função de Estado: o seu valor depende exclusivamente do estado em que esta o sistema. U e
uma função de estado. Calor de trabalho são maneiras equivalentes de se alterar a energia
interna de um sistema.
Trabalho de expansão: surge quando há uma variação de volume. Obs.: O sinal negativo
informa que qdo o sistema desloca o corpo contra a forca, a energia interna do sistema que
efetua o trabalho diminui.
Transformação reversível: pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma
variável. (equilíbrio)
Expansão isotérmica reversível: pv=nRT Calorimetria: estudo do calor transferido durante
um processo físico ou químico.
Calorímetro e um dispositivo para medir o calor transferido.
Capacidade calorífica: a energia interna de uma substancia aumenta quando sua temperatura
se eleva. (propriedade extensiva)
Calor especifico: capacidade calorífica da amostra, dividida pela sua massa, em gramas.
Entalpia: (H) H = U + p.V. Como U, p e V são funções de estado, portanto a entalpiatambém e uma função de estado. Como medir a variação de entalpia? Pode-se medir
calorimetricamente a variação de entalpia acompanhando-se a variação de temperatura de
uma transformação física ou quimica que ocorra a pressão constante. (calorímetro isobárico)
No caso de uma reação de combustão, pode-se usar um calorímetro de chama adiabático,
medindo a variação de temperatura provocada pela combustao de uma substancia em
atmosfera de oxigênio. A maneira mais sofisticada de medir a variação de entalpia e através
de um calorímetro diferencial de varredura (DSC); através da equação pV=nRT.
Termoquímica: e o estudo do calor produzidoou consumido nas reações quimicas
Estado padrão: o estado padrão de uma substancia, numa certa temperatura, e o da
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 5/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
5
substancia na sua forma pura sob pressão de 1 bar.
Lei de Hess: a entalpia padrão de uma reação e igual a soma das entalpias padroes das
reações parciais em que a reação possa ser dividida. ∆rH° = somatório da entalpia dos
produtos – somatório da entalpia dos reagentes.
constante.
Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de
um sistema é igual à diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por
ele realizado durante uma transformação.
Aplicando a lei de conservação da energia, temos:
ΔU= Q – t à Q = ΔU + t
* Q à Quantidade de calor trocado com o meio:
Q > 0 o sistema recebe calor;
Q < 0 o sistema perde calor.
* ΔU à Variação da energia interna do gás:
ΔU > 0 a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;
ΔU < 0 a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.
* t Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:
t > 0 o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;
t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 6/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
6
Passo 2:
Temos o seguinte processo:
Um recipiente, com volume de 10 m3, contém 0,02 m3 de água líquida saturada e 3,75 m3 de
água no estado de vapor saturado a pressão de 0,1MPa. Calor é transferido à água até que o
recipiente contenha apenas vapor saturado.
Utilizaremos os conceitos já estudados para calcular o calor transferido nesse processo.
Para isso utilizamos a regra geral:
Nesse caso não temos energia cinética nem energia potencial envolvidas, então podemos
excluir os termos e como não há variação de pressão, também não temos trabalho, logo a
equação fica:
Simplificando a equação da energia interna em relação à massa e volume específico, temos:
Para realização dos cálculos, utilizamos os dados da tabela B.1.2.
Agora devemos calcular a anergia interna final, para isso calcularemos primeiro o volume
específico final:
Agora com o auxílio novamente da tabela, através do volume específico encontramos a
energia interna específica e aplicamos na fórmula:
Podemos agora aplicar a fórmula que nos fornecerá o calor transferido:
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 7/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
7
Passo 3:
Agora temos um novo processo onde, um reservatório rígido, com volume de 120 litros que
contém água a 100ºC e título de 80%. Considerando que o reservatório é então resfriado até –
20ºC. Calcularemos também o calor transferido.
Novamente não temos energia cinética nem energia potencial envolvidas, então podemos
excluir os termos e como não há variação de pressão, também não temos trabalho, logo a
equação fica:
Agora recorremos a tabela B1.1 e obtemos os dados necessários.
Agora vamos calcular a massa:
Então já podemos calcular o calor transferido:
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 8/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
8
ETAPA 4:
Passo 1:
Turbina a vapor é a maquina térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia
cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor sob a forma de
energia térmica e de pressão.
A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia de uma corrente
de água, vapor d’água ou gás. O elemento básico da turbina é a roda (rotor), que conta com
paletas, hélices, laminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o
fluido em movimento produza uma força tangencial qe impulsiona a roda, fazendo-a girar.
Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um
compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas
ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial
é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas.
A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários
existentes. Uma série de favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se
destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o
motor de combustão interna, a turbina a gás.
Componentes
Estator (roda fixa): É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é
transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos
distribuidores
Expansor: É órgão cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No
expansor vapor perda pressão e ganha velocidade.
Palhetas: Estas podem ser móveis na qual são fixadas ao rotor e fixas , as que ficam fixadas
no estator . As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas
moveis seguintes. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator ou em
rebaixos usinados.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 9/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
9
Aplicação
As turbinas a vapor são partes de um sistema gerador de potência. As instalações de potencia
com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia elétrica ou mecânica e vapor
para processo industrial.
Vantagens da turbina a vapor
· Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura.
· Alta eficiência
· Alta velocidade de rotação.
· Alta relação potência /tamanho
· Operação suave, quase sem vibração.
· Não há necessidade de lubrificação interna.
· Vapor na saída sem óleo· Pode ser construído com diferentes potências: unidades pequenas (1MW) ou muito grandes
(1200MW).
Desvantagens
· É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações.
· A turbina a vapor não pode ser feita reversível.· A eficiência de turbinas a vapor simples pequenas é pobre.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 10/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
10
Passo 2:
Agora aplicaremos os conhecimentos adiquiridos para realizar o cálculo de trabalho
específico e potência de uma turbina. Para isso utilizamos o seguinte caso: Uma turbina
hidráulica é alimentada com 5 kg/s de água a 1,2 MPa e 350ºC. A temperatura e a pressão da
água na seção de descarga da turbina são iguais a 20ºC e 100 kPa. Sabendo que a velocidade
na seção de alimentação é igual a 30 m/s e que a velocidade na seção de descarga é pequena.
Para a realização de cálculos relacionados a turbinas, temos a fórmula que segue:
As entalpias He e hs são obtidas através da tabela e os termos não utilizados são anulados,ficando:
Vale ressaltar que o termo é dividido por 1000 para igualar as unidades.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 11/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
11
Passo 3:
Turbina a Gás:
As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia de umcombustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência elétrica.
Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão da energia do
combustível a altas temperaturas ( começando com temperaturas da ordem de 1000 o C e
terminando em temperaturas próximas de 500 o C ).
A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão
ainda a altas temperaturas.
Teoricamente, turbinas a gás são extremamente simples. Elas têm três partes:
Compressor: comprime o ar de admissão por alta pressão;
Câmara de combustão: queima o combustível e produz gás com alta pressão e alta
velocidade;
Turbina: extrai energia do gás a alta pressão e alta velocidade vindas da câmara de
combustão.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 12/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
12
O Turboélice (turbopropulsor ou turbo-hélice) é um tipo de turbina a gás. O turboélice é
um motor de reação mista, pois é, basicamente, um motor a jato acionando uma hélice. Entre
o eixo da turbina e a hélice há um redutor de velocidade. A força propulsiva deste motor é
produzida 90% pela hélice e 10% pelos gases de escapamento. Comparando-se o motor
turboélice com o motor a jato puro, nota-se:
O turboélice é normalmente maior que um motor a jato de tração equivalente, mais
complexo e possui mais partes móveis;
Fornece maior tração que o jato puro em baixas velocidades consumindo
menos combustível;
Nas decolagens, o turboélice acentua sua eficiência em virtude da hélice movimentar
uma grande massa de ar; nos pousos propicia maior força de frenagem pelo
maior arrasto oferecido pelo disco da hélice em passo mínimo ou reverso.
O motor turboélice é normalmente mais pesado que o turbojato de tração equivalente.
Alguns turboélices são de turbina livre, isto é, têm uma turbina para acionar a hélice e outra,
independente, para acionar o compressor. Um tipo de motor turboélice de turbina livre
consagrado é o turboélice de fluxo reverso Este tipo de motor é bastante compacto e tem seu
funcionamento diferente. O ar é captado pela parte traseira do motor e a saída dos gases de
escapamento é feita na parte dianteira. Um exemplo deste motor é o PT6, que equipa
o Bandeirante.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 13/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
13
ETAPA 5:
Passo 2:
Define-se ciclo de Carnot como um processo cíclico reversível que utiliza um gás perfeito, e
que consta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, tal como é mostrado na
figura.
A representação gráfica do ciclo de Carnot em um diagrama p-V é o seguinte
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 14/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
14
Ramo A-B isotérmica a temperatura T 1
Ramo B-C adiabática
Ramo C-D isotérmica a temperatura T 2
Ramo D-A adiabática
Em qualquer ciclo, temos que obter a partir dos dados iniciais:
A pressão, volume de cada um dos vértices.
O trabalho, o calor e a variação de energia interna em cada um dos processos.
O trabalho total, o calor absorvido, o calor cedido, e o rendimento do ciclo.
Os dados iniciais são os que figuram na tabela abaixo. A partir destos dados, temos de
preencher os vazios da tabela.
Variáveis A B C D
Pressão p (atm) p A
Volume v (l) v A v B
Temperatura T (K) T 1 T 1 T 2 T 2
As etapas do ciclo
Para obter as variáveis e grandezas desconhecidas faremos uso das fórmulas que figuram
no quadro-resumo das transformações termodinâmicas.
1. Transformação A->B (isotérmica)
A pressão p B é calculada a partir da equação do gás ideal
Variação de energia interna
Trabalho
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 15/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
15
Calor
2. Transformação B->C (adiabática)
A equação de estado adiabática é ou então, . Explicitamos vc da
equação da adiabática . Conhecido vc e T 2 obtemos pc, a partir da
equação do gás ideal. .
Calor
Variação de energia interna
Trabalho
3. Transformação C->D (isotérmica)
Variação de energia interna
Trabalho
Calor
4. Transformação D-> A (adiabática)
Explicitamos v D da equação da adiabática . Conhecido v D e T 2 obtemos p D, a
partir da equação do gás ideal. .
Calor
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 16/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
16
Variação de energia interna
Trabalho
O ciclo completo
Variação de energia interna
Em um processo cíclico reversível a variação de energia interna é zero
Trabalho
Os trabalhos nas transformações adiabáticas são iguais e opostos. A partir das equações das
duas adiabáticas a relação entre os volumes dos vértices é , o que nos conduz a
expressão final para o trabalho.
Calor
Na isotérmica T 1 é absorvido calor Q>0 já que v B>v A de modo que
Na isotérmica T 2 é cedido calor Q<0 já que v D<vC
Rendimento do ciclo
Define-se rendimento como o quociente entre o trabalho realizado e o calor absorvido
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 17/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
17
Motor e refrigerador
Um motor de Carnot é um dispositivo ideal que descreve um ciclo de Carnot. Trabalha entre
duas fontes, tomando calor Q1 da fonte quente e a temperatura T 1, produzindo um trabalho W ,e cedendo um calor Q2 a fonte fria a temperatura T 2.
Em um motor real, a fonte quente é representado pela caldeira de vapor que adiciona o calor,
o sistema cilindro-êmbolo produz o trabalho, e é cedido calor a fonte fria que é a atmosfera.
A máquina de Carnot também pode funcionar em sentido inverso, denominando-se então
refrigerador. É extraído calor Q2 da fonte fria aplicando um trabalho W , e cede Q1 a fonte
quente.
Em um refrigerador real, o motor conectado a rede elétrica produz um trabalho que é
empregado para extrair um calor da fonte fria (a cavidade do refrigerador) e é cedido calor a
fonte quente, que é a atmosfera.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 18/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
18
Passo 3:
Ciclo Otto:
Este ciclo termodinâmico foi idealizado pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochasem 1862. De forma independente, o engenheiro alemão Nikolaus Otto concebeu coisa similar
em 1876, além de construir um motor que operava com o mesmo, embora não exatamente
igual aos atuais motores.
Motores de ciclo Otto usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás natural. É
desnecessário dizer que a principal aplicação está nos automóveis.
A Figura abaixo dá uma idéia da operação de um cilindro básico de um motor de ciclo Otto:
dispões de 2 válvulas (admissão no lado esquerdo e escape no lado direito) e de um
dispositivo de centelha elétrica para ignição (vela). A mistura de ar e combustível é fornecida
por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção).
Em 01, a válvula de admissão está aberta e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e
combustível. É um processo aproximadamente isobárico.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 19/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
19
Ao atingir a posição mais inferior (ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada e o
movimento ascendente comprime a mistura (12). Esse processo é aproximadamente
adiabático porque a velocidade do pistão é alta, havendo pouco tempo para a troca de calor.
Em 23 o pistão atinge sua posição mais acima (ponto morto superior), quando uma centelha
na vela provoca a ignição da mistura. Ocorre, portanto, um fornecimento de calor pela reação
de combustão. Desde que esta última é bastante rápida, pode-se considerar que o processo
ocorre sob volume constante.
O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura, que se expande, forçando o pistão para
baixo como em 34 da figura. Pela mesma razão de 12, a transformação pode ser suposta
adiabática.
Em 41 o pistão atinge o ponto morto inferior, quando a válvula de escape é aberta, reduzindo
rapidamente a pressão do gás. De forma similar a 23, pode-se supor um processo sob volume
constante, durante o qual o ciclo cede calor ao ambiente.
Em 10 o movimento ascendente com a válvula de escape aberta remove a maior parte dosgases da combustão e o ciclo é reiniciado quando o pistão chega ao ponto morto superior.
Esse é o princípio de operação do motor de 4 tempos. O motor Wankel usa, no lugar do pistão
e cilindro, rotor e câmaras especiais, mas a operação é similar à do motor de 4 tempos.
5/10/2018 atps2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/atps2 20/20
ATPS – TERMODINÂMICA – Faculdade Anhanguera de Sorocaba (06/2011)
20
BIBLIOGRAFIA
Acessado em 30/05/2011:
http://www.fsc.ufsc.br/~bechtold/Primeira_lei.pdf
Acessado em 30/05/2011:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_vapor
Acessado em 30/05/2011:
http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/15cOtto/materiais/saiba_mais.
Acessado em 30/05/2011:
http://www.nest.unifei.edu.br/portugues/pags/novidades/cursos/files/folderturbinasa4.pdf