UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE

DOURADOS - UFGD

FACULDADE DE ENGENHARIA

Prof. Dr. Omar Seye

omarseye@ufgd.edu.br

Curso engenharia de

Energia

COMBUSTÃO E

COMBUSTÍVEIS

Disciplina:

Todo e qualquer fenômeno que acontece na

natureza necessita de energia para ocorrer. A

vida, como a conhecemos, requer basicamente

matéria e energia.

Duas leis da física explicam esse comportamento: a lei da conservação

da massa e a lei da conservação da energia ou primeira lei da

termodinâmica.

A segunda lei da termodinâmica: A qualidade da energia sempre se

degrada de maneiras mais nobres (maior qualidade) para maneiras

menos nobres (menor qualidade).

Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia

Em qualquer sistema natural, matéria e

energia são conservadas, ou seja,

não se criam nem se destroem

matéria nem energia.

Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia

Lei da conservação da massa

Em qualquer sistema, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina

matéria, apenas é possível transformá-la de uma forma em outra.

Tudo que existe provém de matéria preexistente, só que em outra forma,

assim como tudo o que se consome apenas perde a forma original,

passando a adotar uma outra.

Tudo se realiza com a matéria que é proveniente do próprio planeta,

apenas havendo a retirada de material do solo, do ar ou da água, o

transporte e a utilização desse material para a elaboração do

insumo desejado. podendo muitas vezes ser reutilizado.

Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia

Lei da conservação da massa

Esta lei explica também um dos grandes problemas com o qual nos

defrontamos atualmente: a poluição ambiental.

O fato de não ser possível consumir a matéria até sua aniquilação

implica a geração de resíduos em todas as atividades dos seres

vivos,

Esses resíduos indesejáveis a quem os eliminou, mas que podem ser

reincorporados ao meio, para serem posteriormente reutilizados.

Esse processo denomina-se reciclagem e ocorre na natureza por

meio dos ciclos biogeoquímicos, nos quais interagem mecanismos

biogeoquímicos que tornam os resíduos aproveitáveis em outra

forma.

Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia

Lei da conservação da massa

Quando não existe um equilíbrio entre consumo e reciclagem,

podem advir conseqüências desastrosas ao meio ambiente.

Atualmente, o mundo vive em plena era do desequilíbrio, uma vez que

os resíduos são gerados em rumo muito maior que a capacidade

de reciclagem do meio.

A Revolução Industrial introduziu novos padrões de geração de

resíduos, que surgem em quantidades excessivamente maiores

que a capacidade de absorção e reciclagem da natureza (materiais

sintéticos não-biodegradáveis).

Introdução: Leis da Conservação da Massa e da Energia

Não existe processo 100% eficiente. Em qualquer

sistema, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina matéria; apenas é possível transformá-la de uma forma

em outra.

Poluição ambiental (água, solo e ar).

Sempre haverá geração de resíduos indesejáveis em todas as atividades

dos seres vivos.

Desequilíbrio: geração de resíduos maior do que a capacidade de

reciclagem do meio.

Lei da conservação

da massa

Introdução: Primeira lei da Termodinâmica

Análogo à conservação da massa. A energia pode se transformar

de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída.

As diversas formas de energia podem ser enquadras genericamente:

Energia cinética – energia que a matéria adquire em decorrência

de sua movimentação e em função de sua massa e velocidade. No

caso da energia cinética total das moléculas de uma amostra de

matéria é denominada energia calorífica.

Energia potencial – energia armazenada na matéria em razão de

sua posição ou composição. Exemplo: energia armazenada nos

combustíveis fósseis, nos alimentos etc. é classificada como energia

potencial.

Introdução: Primeira lei da Termodinâmica

Assim sendo, é possível verificar que

determinada parte de um sistema sofreu

variação em sua energia total. Entretanto,

as partes vizinhas também podem ter

sofrido variações, de tal modo que o

conjunto, formado por todas essas partes,

pode não ter apresentado variação alguma.

1 – CALOR E TEMPERATURA

1.1 – Calor

É uma forma de energia que se propaga de um corpo para outro, quando

entre eles há diferença de temperatura.

O calor pode ser obtido de várias maneiras:

Atrito entre dois corpos;

Resistência elétrica queima de combustíveis;

Aquecimento provocado pelo sol (energia solar)

1.2 – Troca e propagação do calor

Sendo uma modalidade de energia, o calor poderia ser medido em Joule

[J]. Porém, é comum a utilização da caloria [cal].

1 [cal] = 4,186 [J] 1 [kcal] = 1.000 [cal]

Introdução: Definições

1 – CALOR E TEMPERATURA

1.2.1 – Capacidade térmica de um corpo

É o quociente entre a quantidade de calor Q recebido ou cedido por um

corpo e a correspondente variação de temperatura T.

A unidade de capacidade térmica é [cal/oC]

C = Q /T ; C = capacidade térmica [cal/oC]

Q = quantidade de calor [cal]

A capacidade térmica de um corpo representa a quantidade de calor

necessária para a temperatura do corpo varie de 1 [oC].

Introdução: Definições

1 – CALOR E TEMPERATURA

1.2.2 – Calor específico de uma substância

A capacidade térmica de um corpo, vai depender da massa do corpo e de

uma constante Cp , denominada de calor especifico.

C = m * Cp Cp = calor especifico [cal/g * oC]

m = massa [g]

Como C = Q/T teremos m * Cp = Q /T

ou seja Cp = Q /m*T

Desta forma, é igual à quantidade de calor que deve ser cedida a 1 [g] de

uma substância para provocar nela uma variação de temperatura de 1 [oC]

Introdução: Definições

1 – CALOR E TEMPERATURA

1.2.3 – Equação fundamental da calorimetria

Consideremos um corpo de massa m à temperatura inicial Ti. Fornecendo-

se uma quantidade de calor Q a esse corpo, suponha que sua temperatura

aumento até Tf. A experiência mostra que a quantidade de calor Q é

proporcional à massa e à variação de temperatura (Tf –Ti); logo:

Q = m * Cp * (Tf –Ti)

Q = m * Cp*T

Observação:

Se Tf > Ti o corpo recebe calor, isto é, Q > 0

Se Tf < Ti o corpo cede calor, isto é, Q < 0

O produto m * Cp é a capacidade térmica do corpo;

logo: C = m* Cp

Cp = calor especifico [cal/g * oC] m = massa [g] T = variação de temperatura [ oC] Q = quantidade de calor [cal]

Introdução: Definições

1 – CALOR E TEMPERATURA

Exercício:

Calcular a quantidade de calor necessária para elevar uma massa de 500

gramas de ferro de 15 oC para 85 oC. O calor especifico do ferro é igual a

0,114 [cal/g * oC]

Introdução: Definições

Resolução:

Se massa de ferro aumenta de temperatura o calor é sensível; logo:

Q = m * Cp * (Tf –Ti)

= 500[g]*0,114 [cal/g * oC]*(85-15)[oC]

= 3.990 [cal]

Portanto, a quantidade de calor recebida pelo ferro é de 3.990 [cal]

1 – CALOR E TEMPERATURA

Introdução: Definições

Introdução: Definições

2 – TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA POR CALOR

A quantidade designada por Q é responsável pela energia transferida

para um sistema fechado durante um processo através de outro meio

que não é o trabalho. Baseado – se na experiência, sabe-se que tal

transferência de energia é induzida apenas como resultado de uma

diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança, e ocorre

somente na direção decrescente de temperatura.

Este meio de transferir energia é chamado de transferência de energia

através de calor.

Devido à importância deste conceito em Termodinâmica aplicada à

Engenharia, esta seção é dedicada a uma consideração adicional a

transferência de energia por calor.

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Métodos baseados na experiência estão disponíveis para avaliar a

transferência de energia sob a forma de calor.

Estes métodos reconhecem dois mecanismos de transferência;

condução e radiação térmicas.

Além disso, relações empíricas estão disponíveis para avaliar a

transferência de energia que envolve certos modos combinados.

Uma breve descrição de cada um destes métodos é dada a seguir.

Considerações mais detalhadas são deixadas para um curso de

transferência de calor aplicada à Engenharia, quando estes tópicos são

estudados em profundidade

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.1 – CONDUÇÃO

A transferência de energia por condução pode

ocorrer em sólidos, líquidos e gases. A condução

pode ser imaginada como a transferência de

energia das partículas mais energéticas de uma

substância para as partículas adjacentes que são

menos energéticas, devido a interações entre as

partículas.

A taxa temporal de transferência de energia por

condução é quantificada macroscopicamente pela

lei de Fourier. Como uma aplicação elementar,

considere a figura que mostra uma parede plana

de espessura L em regime permanente, onde a

temperatura Tx varia linearmente com a posição x.

Pela lei de Fourier, a taxa de transferência de calor através de qualquer

plano normal à direção x, , é proporcional à área da parede, A, e ao

gradiente de temperatura na direção x, dT/dx.

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.1 – CONDUÇÃO

Em que a constante de proporcionalidade k é uma propriedade chamada

de condutividade térmica. O sinal negativo é uma conseqüência da

transferência de energia na direção decrescente da temperatura.

Por exemplo, neste caso a temperatura varia linearmente; portanto, o

gradiente de temperatura é:

E a taxa de transferência de calor na direção x é, então:

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.1 – CONDUÇÃO

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.2 – RADIAÇÃO

A radiação térmica é emitida pela matéria como resultado de mudança na

configuração eletrônica dos átomos ou moléculas no seu interior. A

energia é transportada por ondas eletromagnéticas (ou fótons).

Diferentemente da condução, a radiação térmica não depende de nenhum

meio para propagar-se e pode até mesmo ocorrer num acuo. As

superfícies sólidas, gasosas e líquidas emitem, absorvem e transmitem

radiação térmica em vários grau. A taxa na qual a energia é emitida, Qe, a

partir de uma superfície de área A é quantificada macroscopicamente por

uma forma modifica da lei de Stefan-Boltzmann

Que mostra que a radiação térmica está associada à quarta potência da

temperatura absoluta da superfície, Tb.

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.2 – RADIAÇÃO

A emissividade, , é uma propriedade da superfície que indica a

eficiência da superfície irradiante , e é a constante de

stefan-Boltzmann. Em geral, a taxa líquida de transferência de energia

por radiação térmica entre duas superfícies envolve relações entre as

propriedades das superfícies, suas orientações em relação às outras, a

extensão na qual o meio de propagação espalha, emite e absorve

radiação térmica, e outros fatores.

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1.3 – CONVECÇÃO

A transferência de energia entre uma superfície sólida a uma

temperatura Tb e um gás ou líquido adjacente em movimento a uma

outra temperatura Tf tem um papel importante no desempenho de

muitos dispositivos de interesse prático. Esta transferência é

comumente denominada convecção.

Como ilustração:

Tb > Tf , neste caso, a energia é

transferida no sentido indicado pela

seta devido aos efeitos combinados

da condução no ar e do movimento

global de ar.

Introdução: Definições

2.1 – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A taxa de transferência de energia da superfície para o ar pode ser

quantificada pela seguinte expressão :

2.1.3 – CONVECÇÃO

Conhecido como lei de resfriamento de Newton. Nesta equação A é a área da superfície, e o fator de proporcionalidade h é chamada de coeficiente de transferência de calor