Teoria Conceitos e Definições 2015 1

7/21/2019 Teoria Conceitos e Definies 2015 1

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Figura 02Ciclo de Refrigerao por compresso a Vapor

Unidade - 01

Conceitos e Definies

1. Introduo

A termodinmica a parte da cincia que estuda os fenmenos relacionados com trabalho, calor,entalpia, entropia e os respectivos processos e leis que tratam da converso e transformao destasenergias.

Na engenharia a termodinmica utilizada para analise de vrios processos que ocorrem emequipamentos e sistemas trmicos de grande importncia, tais como:

Centrais termoeltricas Sistemas de refrigerao Sistemas de gerao de vapor Motores de combusto Sistema de separao e produo de gases

Dentre outros

Figura 01Central Nuclear


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2. Sistema Termodinmico

Sistema termodinmico consiste em uma quantidade de matria de massa fixa sobre o qual nossaateno est voltada para estudo. Tudo mais externo ao sistema chamado de vizinhana ou exterior. Osistema est separado da vizinhana por meio das fronteiras do sistema. Estas fronteiras podem ser fixasou mveis.

Conforme mostra Figura03 o vapor de gua contido no interior do cilindro considerado comoo sistema. Se calor transferido ao sistema a temperatura ir aumentar e o vapor de gua ir expandir e oembolo mvel ir se elevar e a fronteira mvel imaginria ir tambm se mover. Neste sentido, calor etrabalho so formas de energia que cruzam as fronteiras do sistema durante o processo discutido.Entretanto a matria que compe o sistema mantm-se fixa. Caracteriza-se como sistema isolado aqueleque no influenciado, de forma alguma, pelo exterior. Isso significa dizer que calor e trabalho nocruzam a fronteira de um sistema isolado.

3. Volume de Controle Termodinmico

Em muitos processos envolvendo equipamentos termodinmicos, como exemplo um compressorde ar, que envolve escoamento de massa para dentro e/ou fora do equipamento, define-se o que se volumede controle o que envolvido para anlise, no por exemplo um equipamento em estudo.

A superfcie desse volume de controle chamada de superfcie de controle. Neste sentido,conforme mostrado na Figura 04, alm do calor e trabalho, a massa tambm pode escoar atravs dasuperfcie de controle.

Podemos concluir que um sistema definido quando se trata com uma quantidade de massa fixa eum volume de controle definido quando a anlise envolve um fluxo de massa.

Figura 04 Volume de Controle Termodinmico


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4. Estado e propriedade de uma substncia

Se considerarmos uma massa de gua, reconhecemos que ela pode existir sob vrias formas. Se inicialmente lquida pode-se tornar vapor aps aquecida ou slida quando resfriada. Assim nos referimoss diferentes fases de uma substncia: uma fase definida como uma quantidade de matria totalmentehomognea; quando mais de uma fase est presente, as fases se acham separadas entre si por meio doscontornos das fases. Em cada fase a substncia pode existir a vrias presses e temperaturas ou, usando a

terminologia da termodinmica, em vrios estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certaspropriedades macroscpicas observveis; algumas das mais familiares so: temperatura, presso, massaespecifica, etc.

Cada uma das propriedades de uma substncia num dado estado tem somente um valor definido eessa propriedade tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual asubstncia chegou a ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que dependedo estado do sistema e independente do caminho (isto , da histria) pelo qual o sistema chegou aoestado considerado. Inversamente, o estado especificado ou descrito pelas propriedades.As propriedades termodinmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e asextensivas. Uma propriedade intensiva independente da massa e o valor de uma propriedade extensivavaria diretamente com a massa. Assim, se uma quantidade de matria em um dado estado, dividida emduas partes iguais, cada parte ter o mesmo das propriedades intensivas que a original e a metade do valordas propriedades extensivas.

Como exemplo de propriedade intensiva pode-se citar a temperatura, presso. A massa, o volumeso exemplos de propriedades extensivas. Por outro lado, as propriedades extensivas por unidade demassa, a exemplo do volume especifico, so propriedades intensivas.

Quando um sistema est em equilbrio termodinmico com relao a todas as mudanas possveisde estado, dizemos que o sistema est em equilbrio termodinmico.

5. Substncia Pura

Substncia pura aquela que tem composio qumica invarivel e homognea. Pode existir em

mais de uma fase, mas a sua composio qumica a mesma em todas as fases. Assim gua lquida evapor d'gua ou uma mistura de gelo e gua lquida so todas substncia puras, pois cada fase tem amesma composio qumica. Por outro lado uma mistura de ar lquido e gasoso no uma substncia

pura, pois a composio qumica da fase lquida diferente daquela da fase gasosa. No nosso estudoiremos dar nfase quelas substncias que podem ser chamadas de substncia simples compressveis. Porisso entendemos que efeitos de superfcie, magnticos e eltricos, no so significativos quando se tratacom essas substncias.

6. Processo e Ciclo Termodinmico

Quando uma ou mais propriedades de um sistema mudam, dizemos que ocorreu uma mudana de

estado. Por exemplo, quando transferido calor para o sistema conforme Figura 05, o embolo se eleva presso constante e o volume especifico aumenta, caracterizando uma mudana de estado do sistemarepresentado pelo gs no interior do embolo.

O caminho definido pela sucesso de estados atravs dos quais o sistema passa desde o estadotermodinmico (1) at o estado termodinmico (2) chamado de processo.

Figura 05Exemplo de Processo Termodinmico


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Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por certo nmero de mudanas de estado ouprocessos e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo. Dessa forma, no final de umciclo, toda a propriedade tem o mesmo valor inicial. Na Figura 06 abaixo, o fluido refrigerante circulaatravs do ciclo de refrigerao por compresso a vapor e as propriedades termodinmicas so as mesmasno inicio e final de cada processo representado pelos pontos A, B, C e D, no diagrama de Mollier.

7. Lei Zero da Termodinmica

Quando dois corpos possuem a mesma temperatura dizemos que esto em equilbrio trmico entresi. Assim, podemos definir a lei zero da termodinmica como: " Se dois corpos esto em equilbriotrmico com um terceiro eles esto em equilbrio trmico entre si ".

A lei zero da termodinmica define os medidores de temperatura, os TERMMETROS.

8. Tipos Clssicos de Medidores de Temperatura

Segue alguns tipos clssicos de instrumentos utilizados para medio da temperatura:

Figura 06Ciclo de Refrigerao por Compresso a Vapor

Figura 07 - Termmetro de Bulbo de Vidro Mercrio - (expanso volumtrica)

Figura 08Termmetro de Par Bi-metlico(Dilatao linear diferenciada)


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Figura 09Termmetro com Termopar (Fora Eletromotriz)

Figura 10Termmetro de Termistores(Variao da Resistividade)

Figura 11Pirmetro tico(Cor da Chama)

Figura 12Termmetro de Gs(Expanso volumtrica)


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9. Escala de Temperatura

Para a maior parte das pessoas a temperatura um conceito intuitivo baseado nas sensaes de"quente" e "frio" proveniente do tato. De acordo com a segunda lei da termodinmica, a temperatura estrelacionada com o calor ficando estabelecido que este, na ausncia de outros efeitos, flui do corpo detemperatura mais alta para o de temperatura mais baixa espontaneamente.

O funcionamento dos termmetros est baseada na lei zero da termodinmica pois so colocadosem contato com um corpo ou fluido do qual se deseja conhecer a temperatura at que este entre emequilbrio trmico com o respectivo corpo. A escala do aparelho foi construda comparando-a com umtermmetro padro ou com pontos fsicos fixos de determinadas substncias.

Quatro escalas de temperatura so hoje usadas para se referir temperatura, duas escalas absolutase duas escalas relativas; so elas respectivamente: Escala absoluta KELVIN (K) e RANKINE (R) eescala relativa Celsius (C) e Fahrenheit (F). A Figura 13 mostra as quatro escalas de temperatura e arelao entre elas.

Assim, por exemplo, a relao entre graus Celsius - C e Fahrenheit - F pode ser facilmenteobtido considerando a escala dos dois termmetros conforme apresentado na Figura 14. Interpolando-selinearmente as escalas entre a referncia de gelo fundente e a referncia de vaporizao da gua temos:

Figura 13Escala de Temperatura

32212

32

0100

0

Fc

3295

Fc

Figura 14Relao entre grau C e F


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10. Presso

Presso, uma propriedade termodinmica, definida como sendo a relao entre uma fora e area normal onde est sendo aplicada a fora, conforme representado na Figura 15.

11. Instrumentos Clssicos de Medio de Presso

Segue alguns tipos clssicos de instrumentos utilizados para medio da presso:

A

FP

N

A

FP

Figura 15Manmetro de Tubo em U e de Tubo Inclinado

Figura 16Manmetro Tipo Bourdon


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Por definio:

12. Sistema de Unidades

Em fenmenos de transporte o sistema normalmente na maioria das vezes adotado o SI Sistema Internacional e/ou BG Sistema Ingls. Em ambos os sistemas quatro so as dimenses

primrias: Massa, comprimento, tempo e temperatura. Todas as outras dimenses, denominadas desecundrias, sero derivadas destas quatro citadas.

12.1. Dimenses Primrias no Sistema Internacional (SI) e Sistema Ingls (BG)

Dimenses Primrias SI BG

Massa (M) Kilograma (kg) SlugComprimento (L) Metro (m) P (ft)

Tempo (T) Segundo (s) Segundo (s)Temperatura () Kelvin (K) Rankine (R)

Figura 17Manmetro Tipo Diferencial


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12.2. Dimenses secundrias

A lei de Newton a mais importante dimenso secundria:

maF F 2MLT Assim todas as demais dimenses secundrias deve atender a lei de Newton. Neste sentido os

sistemas de unidade no Sistema Internacional e no Sistema Ingls so tambm conhecidas como sistemade unidades coerentes, uma vez que atendem a lei de Newton numa relao direta de um para um, ouseja::

No Sistema Internacional por definio 1 Newton Fora = N1 = 21.1s

mkg

No Sistema Ingls por definio 1 Libra Fora = lbf1 = ss

ftslug1.1

Em algumas vezes tambm muito utilizado o sistema tcnico de unidades, principalmente noestudo da termodinmica. Os sistemas Tcnicos no so sistema de unidades coerentes e portanto so

utilizados o fator gcpara trabalhar a coerncia destas unidades.O fator gc definido conforme mostrado abaixo:

No Sistema Tcnico Internacional por definio1 kgf =c

g

gm.onde:

No Sistema Tcnico Ingls por definio1 lbf =c

g

gm.onde:

2.

.1174,32

slbf

ftlbmgc

Segue abaixo quadro com algumas dimenses secundrias importantes:

Principais Dimenses Secundrias no Sistema Internacional (SI) e Sistema Ingls (BG)

Dimenses Segundrias SI BG

Fora {MLT2} N lbf

rea {M2} m ft

Volume {M3} m ft

Velocidade {LT-1} m/s ft/s

Acelerao{LT-2} m/s ft/s

Presso ou Tenso {ML-1T-2} Pa=N/ m lbf/ ft

Velocidade Angular {T-1} s- s-

Energia, Calor, Trabalho {ML2T-2} J = N . m ft . lbf

Potncia {ML2T-2} W = j/s ft . lbf/s

Massa especfica {ML-3} Kg/m slug/ ft

Viscosidade {ML-1T-1} Kg/(m . s) slug/(ft . s)

Calor especfico {L2T-2-1} m /( s . K) ft /( s . R)

2.

.81,9

skgf

mkggc


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Segue abaixo prefixos utilizados no Sistema InternacionalSI:

Prefixos utilizados no Sistema Internacional - SIMltiplos Submultiplos

Fator Nome Simbolo Fator Nome Simbolo

10

24

yota Y

10

-1 deci d

1021

zeta Z 10-2 centi c

1018

exa E 10-3 mili m

1015

peta P 10-6 micro

1012

tera T 10-9 nano n

109

giga G 10-12 pico p

10

6

mega M 10

-15

femto f

103

kilo*

k 10-18 ato a

102

hecto h 10-21 zepto z

101

deca da 10-24 yocto y

12.3. Tabelas de Converso de Unidades

Segue abaixo algumas tabelas de converso de unidades importantes do Sistema Internacional

para o Sistema Ingls e Vice-Versa:

12.3.1.Unidades de massa

Unidades de MassaLibra massa

(lbm)slug Kilograma

(kg)1 0,03108 0,4536

32,1740 1 14,59392,2046 0,06852 121,6170 0,67197 9,80665

12.3.2.Unidades de fora

Unidades de ForaLibra Fora

(lbf)Newton

(N)Kilograma-Fora

(kgf)0,0311 0,1383 0,0141

1 4,4482 0,45360,2248 1 0,10202,2046 9,8067 1


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12.3.3.Unidades de temperatura

T(k) = T(C) + 273,15T(R) = T(F) + 459,67T(F) = 9/5.T(C) + 32

12.3.4.Unidades de comprimento

Unidade de ComprimentoMetro(m)

Centmetro(cm)

P(ft)

Polegada(in)

1 100 3,2808 39,369610- 1 0,0328 0,3937

0,3048 30,48 1 120,0254 2,54 0,0833 1

12.3.5.Unidades de massa especfica

Unidade de Massa Especficakg/m g/m lbm/ft lbm/in

1 0,001 6,243 x 10- 3,613 x 10-

1000 1 62,428 3,613 x 10- 16,018 1,602 x 10- 1 5,787 x 10-

2,768 x 10 27,682 1728 1

12.3.6.Unidade de velocidade

Unidades de Velocidade

ft/s Km/h m/s1 1,097 0,3048

0,911 1 0,27783,281 3,6 1

12.3.7.Unidades de viscosidade dinmica

Unidade de Viscosidade Dinmicapa.s kgf.s/m lbm/ft.s lbf.s/ft

cp1 0,102 0,672 0,021 10

9,807 1 6,590 0,205 9,0871,488 0,152 1 0,031 1,48847,880 4,822 32,174 1 4,788 x 10

10- 1,02 x 10- 6,72 x 10- 2,09 x 10- 1


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12.3.8.Unidades de presso

Unidade de PressoPa=N/m kgf/cm bar psi=lbf/in atm torr=mmHg mmh2o inHg

1 1,0194 x 10-5 10-5 1,45 x 10-4 9,869 x 10-6 7,50 x 10-3 0,102 2,953 x 10-49,807 x 104 1 0,981 14,223 0,968 735,570 104 28,951

105 1,0194 1 14,504 0,987 750,061 1,02 x 104 29,530

6,895 x 10

3

0,0703 0,069 1 0,068 51,715 703 2,0361,013 x 10 1,0328 1,013 14,696 1 760 10330 29,9211,333 x 102 0,0014 1,333 x 10-3 0,019 0,132 x 10-2 1 13,6 3,937 x 10-2

9,807 10-4 9,807 x 10-5 1,42 x 10-3 0,968 x 10-4 0,0735 1 2,894 x 10-33,387 x 103 3,4540 x 10-2 0,034 0,491 3,343 x 10-2 25,40 345,354 1

12.3.9.Unidades de energia

Unidades de EnergiaJ = N.m Cal Btu hp.h ft.lbf kwh

1 0,239 9,481 x 10- 3,725 x 10- 0,738 2,778 x 10- 4,184 1 3,968 x 10- 1,559 x 10- 3,086 1,163 x 10-

1,055 x 10 2,520 x 10 1 3,929 x 10- 7,782 x 10 2,930 x 10- 2,685 x 10 6,416 x 10 2,545 x 10 1 1,980 x 10 7,457 x 10-

1,356 0,324 1,285 x 10- 5,051 x 10- 1 3,766 x 10- 3,600 x 10 8,606 x 10 3,413 x 10 1,341 2,665 x 10 1

12.3.10. Unidades de potncia

Unidades de Potenciacal/s J/s kw Ft.lbf/s Btu/h hp

1 4,184 4,184 x 10- 3,087 14,290 5,613 x 10- 0,239 1 0,001 0,738 3,413 1,341 x 10-

239,006 1000 1 737,560 3413 1,3410,324 1,356 1,356 x 10- 1 4,268 1,818 x 10- 0,070 0,293 2,930 x 10- 0,216 1 3,929 x 10-

178,154 7,457 x 10 0,746 550 2545 1

12.3.11. Unidades de volume

Unidades de Volumein ft gal L m1 5,787 x 10- 4,329 x 10- 1,639 x 10- 1,639 x 10-

1728 1 7,481 28,320 2,832 x 10-

2,310 x 10 1,337 x 10- 1 3,785 3,785 x 10- 6,102 x 10 3,531 x 10- 0,2642 1 1,000 x 10- 6,102 x 10 35,310 264,200 1000 1

12.3.12. Unidades de rea

Unidades de ream cm ft in1 10 10,76 1550

10- 1 1,076 x 10- 0,155

9,290 x 10- 929,0 1 1446,452 x 10- 6,452 6,944 x 10- 1

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