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Engenharia Mecânica ·
Termodinâmica 1
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UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO MAQUINAS TÉRMICAS MAQUINAS TÉRMICAS\n\n1- Introdução\n1.1- A contribuição da Termodinâmica\n\n2- Conceitos e Definições\n2.1- Sistemas\n2.2- Vizinhanças\n2.3- Fronteira\n2.4- Volume de Controle\n2.5- Propriedades do Sistema MAQUINAS TÉRMICAS\n\n3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n3.1- Energia do Sistema\n3.2- Trabalho\n3.3- Potência\n\n4- Transferências de energia por calor\n4.1- Conceitos e definições\n4.2- Modos de Transferência de calor\n4.3- Balanço energético em sistemas fechados MÁQUINAS TÉRMICAS\n\n5-Análise de energia para ciclos\n5.1-Conceitos e definições\n5.2-Balanço de energia para um ciclo\n5.3-Ciclos termodinâmicos , definições e tipos\n5.4-Ciclo de Potencia\n5.4- Ciclo de Refrigeração e Bombas de Calor 1.Introdução\n\n1.1 A Contribuição dos estudos em Termodinâmica\nEngenheiros utilizam os princípios extraídos da Termodinâmica, da Mecânica dos fluidos, da Transmissão de Calor e Massa no projeto de sistemas no atendimento as necessidades humanas.\n\nTERMODINAMICA\t\t MECANICA DOS FLUIDOS\n\t\t\t\t\t\t\t \n\t\t\tSISTEMAS\n\t\t\t\t\t\t\t \n\t\t\tNECESSIDADES HUMANAS 2-Conceitos e definições\n\n2.1- Sistema\nÉ tudo aquilo que se deseja estudar, podem ser simples ou complexos\nCom forma ou volume não necessariamente constante ( gás em balão inflado).\n\n2.2 -Vizinhança\nTudo que é externo ao sistema.\n\n2.3 – Fronteira\nO sistema se distingue das suas vizinhanças pela fronteira, que pode estar em repouso ou movimento. As interações entre o sistema e a vizinhança ocorrem ao longo de sua fronteira ( importante para estudos termodinâmicos) 2-3- Fronteiras do Sistema\n\n\n2-3- Fronteiras do Sistema\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n 2- Conceitos e definições\n\n2.4- Sistema Fechados\nSe refere a sistemas com uma quantidade fixa de matéria , e sempre contém a mesma quantidade ao longo dos processos e não pode haver fluxo de massa através de suas fronteiras.\n\n2.5- Sistema isolado\nQuando um sistema não interage de modo algum com as suas vizinhanças.\n\n2.6- Volume de controle\nÉ a região delimitada por uma fronteira prescrita. 2- Conceitos e definições\n\n2.7- Propriedade do sistema\nSão as características de um sistema, massa, volume, temperatura , pressão... É possível atribuir um valor numérico em um dado tempo sem o conhecimento prévio do comportamento do sistema.\n\nEstado do sistema, são as propriedades descritas em um dado momento do sistema.\n\nProcesso, é quando qualquer uma das propriedades do sistema se altera, é uma transformação de um estado a outro.\n\nRegime permanente, quando nenhuma das propriedades variam com o tempo. 2-Conceitos e definições\n\nNão propriedade, quando o valor de uma determinada grandeza depender dos detalhes do processo . Ex. Taxa de vazão mássica, transferências de energia por trabalho ou por transferência de calor. 3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n\nEnergia Cinética\n\nΔEc = Ec2 - Ec1 = 1/2 m(V2² - V1²)\n\n1/2 m(V2² - V1²) = ∫s2 s1 Fds 3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n\nEnergia Potencial\n\nΔEp = Ep2 - Ep1 = mg(Z2 - Z1)\n\n1/2 m(V2² - V1²) + mg(Z2 - Z1) = ∫z2 z1 Rdz 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nPrincípio da conservação da energia mecânica\n\n\\( \\frac{1}{2} m(V_{2}^{2} - V_{1}^{2}) + mg(Z_{2} - Z_{1}) = 0 \\)\n\nEnergia cinética ↔ Energia Potencial 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nTrabalho Termodinâmico\n\n\"Um sistema realiza trabalho sobre a sua vizinhança, se o único efeito sobre tudo aquilo externo puder ser o levantamento de um peso\"\n\n\\( W > 0 \\) - Trabalho realizado pelo sistema\n\\( W < 0 \\) - Trabalho realizado no sistema\n\n\\( W = \\int_{s_{1}}^{s_{2}} F ds \\) 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nPotência, é a taxa de transferência no tempo de energia por meio de trabalho.\n\n\\( \\dot{W} = F \\cdot V \\)\n\n\\( W = \\int_{t_{1}}^{t_{2}} \\dot{W} \\cdot dt = \\int_{t_{1}}^{t_{2}} F \\cdot V \\cdot dt \\) Trabalho na compressão/expansão\n\nδW = p.A.dx\nδW = p.dv\nW = ∫v2v1 p.dv Trabalho na compressão/expansão\n\nδW = p.A.dx\nδW = p.dv\nW = ∫v2v1 p.dv Transferência de energia por calor\n\n• Transferência de calor não é uma Propriedade, pois depende dos detalhes do processo\n(Q > 0 — Transferência de energia para o sistema em forma de valor\nQ < 0 — Transferência de energia do sistema\n\n• Transferências de energia com a vizinhança\n\nSISTEMA\n\nTRABALHO\n\nCALOR Transferência de energia por calor\n\nTransferência de energia por calor do estado 1 ao estado 2\nQ = ∫ 2^1 δQ\nTaxa de transferência liquida /tempo Ṫ\nQ = ∫ t2^t1 Ṫ dt ou Q = ∫ A Ṫ.dA\n*fluxo de calor q - taxa de calor /unid .área (fronteira) Transferência de energia por calor\n\nProcesso adiabático, sistema passa por um processo onde não envolve transferência de energia por calor com a vizinhança.\nModos de transferência de calor:\n- Condução\n- Radiação (energia transportado por ondas, não necessita de meio de propagação).\n- Convecção - uma combinação dos dois processos anteriores Balanço de energia para sistemas fechados\n\nVariação da quantidade de energia do sistema em um intervalo de tempo = Quantidade liquida de energia transferida em forma de calor em um intervalo de tempo - Quantidade liquida de energia transferida para fora da fronteira do sistema em forma de trabalho em um intervalo de tempo Análise de energia para ciclos\n\nCiclo Termodinâmico, é uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado. No final todas as propriedades têm o mesmo valor que tinham no início, não se importando com a sequência ou a natureza das substâncias que compõe o sistema.\n\nBalanço de energia para um ciclo ( princípio da conservação da energia)\nΔE_ciclo = Q_ciclo - W_ciclo = 0\nQ_ciclo = W_ciclo Análise de energia para ciclos\n\nCom esta definição, podemos classificar os ciclos em 2 grupos principais:\n- Ciclos de Potência, estes ciclos fornecem transferência líquida de energia sob forma de trabalho para a vizinhança\n\nW_ciclo = Q_entrada - Q_sai\n\nDesempenho do sistema, eficiência térmica representa a capacidade de conversão a energia recebida em forma de calor em trabalho\nη = W_ciclo / Q_entrada Análise de energia para ciclos\n\nCiclos de Refrigeração e Bombas de calor, ciclos deste tipo Q_entrada é a energia transferida por calor do corpo frio para o sistema que percorre o ciclo e Q_sai é a energia descarregada por transferência de calor do sistema para o corpo quente.\n\nW_ciclo = Q_sai - Q_entrada\n\nCiclos de refrigeração e bombas de calor = similares, objetivos ≠\nβ = Q_entrada / W_ciclo (coeficiente desempenho - ciclo refrigeração)\nγ = Q_sai / W_ciclo (coeficiente desempenho - Bombas de Calor) Ciclos Termodinâmicos\n\nPropriedade 1\n\nProcesso\n\nEstado 1\n<->\nEstado 2\n\nPropriedade 1'\n\nPropriedade 2'\n\nQ,W\nQ,W 1° Lei da Termodinâmica\n- A primeira lei da Termodinâmica estabelece que, para um sistema que efetua um ciclo tem que:\n\n∮δQ = δW\n\n- Não impõe nenhuma restrição quanto as direções dos fluxos de calor e trabalho.\n- Um ciclo em que uma determinada quantidade de calor é cedida pelo sistema e uma quantidade de trabalho é recebida, satisfaz a 1° Lei da mesma forma que em um ciclo que essas transferências se dão em sentidos opostos.\n- O fato de não violar a 1° Lei não assegura que ele possa ocorrer 2° Lei da Termodinâmica\n- Um ciclo somente ocorrerá se tanto a 1°, quanto a 2° lei da termodinâmica forem satisfeitas.\n- A 2° lei da Termodinâmica, em um sentido mais amplo indica que todos processos conhecidos ocorrem em um sentido e não no oposto.\n\nAlta Temperatura\nQ\n\nQ\n\nBaixa Temperatura\n\nImpossibilidade de completar o ciclo Motores Térmicos e Refrigeradores\nSistema funciona e um sentido único , só podem operar segundo um ciclo onde o trabalho e o calor são negativos Motores Térmicos e Refrigeradores\nMotor Térmico\n- Sistema que opera segundo um ciclo realizando um trabalho líquido positivo e trocando calor líquido positivo\nEx. Motor a combustão interna\nTurbina a gás\n\nRefrigerador ( bomba de calor)\n- Sistema que opera segundo um ciclo que recebe calor de um corpo o a baixa temperatura e cede calor para um corpo a alta temperatura O ciclo de Carnot\nConsidere um motor térmico que opera entre dois dados reservatórios térmicos e que funcione segundo um ciclo no qual todos processos são reversíveis.\n- Se cada processo é reversível, o ciclo também é reversível,\n- Se o ciclo for invertido o motor térmico se transforma em um refrigerador. Ciclo de Carnot\nO ponto importante a ser destacado aqui é que o ciclo de Carnot, qualquer que seja a substância de trabalho, tem sempre os mesmos quatro processos básicos. São eles:\n1. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de alta temperatura.\n2. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho diminui da temperatura mais alta até a temperatura mais baixa.\n3. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de baixa temperatura.\n4. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho aumenta da temperatura mais baixa até a temperatura mais alta. Sistemas de Potencia e Refrigeração\n(com mudança de fase)\n- Algumas centrais de potencia, como uma central simples a vapor d’água = operam segundo ciclo termodinâmico (fechado)\n- O fluido de trabalho sofre uma série de processos (transformações termodinâmicas) = retornam ao estado inicial.\n- Estudaremos os ciclos ideais com mudança de fase = Sistemas com fluido de trabalho que apresentam mudança de fase durante o ciclo.\n- Porque os ciclos reais se distanciam dos ciclos ideais?\n- Equipamentos que são utilizados para nos ciclos básicos para aumento rendimento do ciclo (Ex. Resfriadores, Regeneradores, Compressores e Expanders).
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UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO UniEVANGÉLICA\nCENTRO UNIVERSITÁRIO MAQUINAS TÉRMICAS MAQUINAS TÉRMICAS\n\n1- Introdução\n1.1- A contribuição da Termodinâmica\n\n2- Conceitos e Definições\n2.1- Sistemas\n2.2- Vizinhanças\n2.3- Fronteira\n2.4- Volume de Controle\n2.5- Propriedades do Sistema MAQUINAS TÉRMICAS\n\n3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n3.1- Energia do Sistema\n3.2- Trabalho\n3.3- Potência\n\n4- Transferências de energia por calor\n4.1- Conceitos e definições\n4.2- Modos de Transferência de calor\n4.3- Balanço energético em sistemas fechados MÁQUINAS TÉRMICAS\n\n5-Análise de energia para ciclos\n5.1-Conceitos e definições\n5.2-Balanço de energia para um ciclo\n5.3-Ciclos termodinâmicos , definições e tipos\n5.4-Ciclo de Potencia\n5.4- Ciclo de Refrigeração e Bombas de Calor 1.Introdução\n\n1.1 A Contribuição dos estudos em Termodinâmica\nEngenheiros utilizam os princípios extraídos da Termodinâmica, da Mecânica dos fluidos, da Transmissão de Calor e Massa no projeto de sistemas no atendimento as necessidades humanas.\n\nTERMODINAMICA\t\t MECANICA DOS FLUIDOS\n\t\t\t\t\t\t\t \n\t\t\tSISTEMAS\n\t\t\t\t\t\t\t \n\t\t\tNECESSIDADES HUMANAS 2-Conceitos e definições\n\n2.1- Sistema\nÉ tudo aquilo que se deseja estudar, podem ser simples ou complexos\nCom forma ou volume não necessariamente constante ( gás em balão inflado).\n\n2.2 -Vizinhança\nTudo que é externo ao sistema.\n\n2.3 – Fronteira\nO sistema se distingue das suas vizinhanças pela fronteira, que pode estar em repouso ou movimento. As interações entre o sistema e a vizinhança ocorrem ao longo de sua fronteira ( importante para estudos termodinâmicos) 2-3- Fronteiras do Sistema\n\n\n2-3- Fronteiras do Sistema\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n 2- Conceitos e definições\n\n2.4- Sistema Fechados\nSe refere a sistemas com uma quantidade fixa de matéria , e sempre contém a mesma quantidade ao longo dos processos e não pode haver fluxo de massa através de suas fronteiras.\n\n2.5- Sistema isolado\nQuando um sistema não interage de modo algum com as suas vizinhanças.\n\n2.6- Volume de controle\nÉ a região delimitada por uma fronteira prescrita. 2- Conceitos e definições\n\n2.7- Propriedade do sistema\nSão as características de um sistema, massa, volume, temperatura , pressão... É possível atribuir um valor numérico em um dado tempo sem o conhecimento prévio do comportamento do sistema.\n\nEstado do sistema, são as propriedades descritas em um dado momento do sistema.\n\nProcesso, é quando qualquer uma das propriedades do sistema se altera, é uma transformação de um estado a outro.\n\nRegime permanente, quando nenhuma das propriedades variam com o tempo. 2-Conceitos e definições\n\nNão propriedade, quando o valor de uma determinada grandeza depender dos detalhes do processo . Ex. Taxa de vazão mássica, transferências de energia por trabalho ou por transferência de calor. 3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n\nEnergia Cinética\n\nΔEc = Ec2 - Ec1 = 1/2 m(V2² - V1²)\n\n1/2 m(V2² - V1²) = ∫s2 s1 Fds 3- Energia, Trabalho e a 1ª Lei da Termodinâmica\n\nEnergia Potencial\n\nΔEp = Ep2 - Ep1 = mg(Z2 - Z1)\n\n1/2 m(V2² - V1²) + mg(Z2 - Z1) = ∫z2 z1 Rdz 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nPrincípio da conservação da energia mecânica\n\n\\( \\frac{1}{2} m(V_{2}^{2} - V_{1}^{2}) + mg(Z_{2} - Z_{1}) = 0 \\)\n\nEnergia cinética ↔ Energia Potencial 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nTrabalho Termodinâmico\n\n\"Um sistema realiza trabalho sobre a sua vizinhança, se o único efeito sobre tudo aquilo externo puder ser o levantamento de um peso\"\n\n\\( W > 0 \\) - Trabalho realizado pelo sistema\n\\( W < 0 \\) - Trabalho realizado no sistema\n\n\\( W = \\int_{s_{1}}^{s_{2}} F ds \\) 3- Energia, Trabalho e a 1º Lei da Termodinâmica\n\nPotência, é a taxa de transferência no tempo de energia por meio de trabalho.\n\n\\( \\dot{W} = F \\cdot V \\)\n\n\\( W = \\int_{t_{1}}^{t_{2}} \\dot{W} \\cdot dt = \\int_{t_{1}}^{t_{2}} F \\cdot V \\cdot dt \\) Trabalho na compressão/expansão\n\nδW = p.A.dx\nδW = p.dv\nW = ∫v2v1 p.dv Trabalho na compressão/expansão\n\nδW = p.A.dx\nδW = p.dv\nW = ∫v2v1 p.dv Transferência de energia por calor\n\n• Transferência de calor não é uma Propriedade, pois depende dos detalhes do processo\n(Q > 0 — Transferência de energia para o sistema em forma de valor\nQ < 0 — Transferência de energia do sistema\n\n• Transferências de energia com a vizinhança\n\nSISTEMA\n\nTRABALHO\n\nCALOR Transferência de energia por calor\n\nTransferência de energia por calor do estado 1 ao estado 2\nQ = ∫ 2^1 δQ\nTaxa de transferência liquida /tempo Ṫ\nQ = ∫ t2^t1 Ṫ dt ou Q = ∫ A Ṫ.dA\n*fluxo de calor q - taxa de calor /unid .área (fronteira) Transferência de energia por calor\n\nProcesso adiabático, sistema passa por um processo onde não envolve transferência de energia por calor com a vizinhança.\nModos de transferência de calor:\n- Condução\n- Radiação (energia transportado por ondas, não necessita de meio de propagação).\n- Convecção - uma combinação dos dois processos anteriores Balanço de energia para sistemas fechados\n\nVariação da quantidade de energia do sistema em um intervalo de tempo = Quantidade liquida de energia transferida em forma de calor em um intervalo de tempo - Quantidade liquida de energia transferida para fora da fronteira do sistema em forma de trabalho em um intervalo de tempo Análise de energia para ciclos\n\nCiclo Termodinâmico, é uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado. No final todas as propriedades têm o mesmo valor que tinham no início, não se importando com a sequência ou a natureza das substâncias que compõe o sistema.\n\nBalanço de energia para um ciclo ( princípio da conservação da energia)\nΔE_ciclo = Q_ciclo - W_ciclo = 0\nQ_ciclo = W_ciclo Análise de energia para ciclos\n\nCom esta definição, podemos classificar os ciclos em 2 grupos principais:\n- Ciclos de Potência, estes ciclos fornecem transferência líquida de energia sob forma de trabalho para a vizinhança\n\nW_ciclo = Q_entrada - Q_sai\n\nDesempenho do sistema, eficiência térmica representa a capacidade de conversão a energia recebida em forma de calor em trabalho\nη = W_ciclo / Q_entrada Análise de energia para ciclos\n\nCiclos de Refrigeração e Bombas de calor, ciclos deste tipo Q_entrada é a energia transferida por calor do corpo frio para o sistema que percorre o ciclo e Q_sai é a energia descarregada por transferência de calor do sistema para o corpo quente.\n\nW_ciclo = Q_sai - Q_entrada\n\nCiclos de refrigeração e bombas de calor = similares, objetivos ≠\nβ = Q_entrada / W_ciclo (coeficiente desempenho - ciclo refrigeração)\nγ = Q_sai / W_ciclo (coeficiente desempenho - Bombas de Calor) Ciclos Termodinâmicos\n\nPropriedade 1\n\nProcesso\n\nEstado 1\n<->\nEstado 2\n\nPropriedade 1'\n\nPropriedade 2'\n\nQ,W\nQ,W 1° Lei da Termodinâmica\n- A primeira lei da Termodinâmica estabelece que, para um sistema que efetua um ciclo tem que:\n\n∮δQ = δW\n\n- Não impõe nenhuma restrição quanto as direções dos fluxos de calor e trabalho.\n- Um ciclo em que uma determinada quantidade de calor é cedida pelo sistema e uma quantidade de trabalho é recebida, satisfaz a 1° Lei da mesma forma que em um ciclo que essas transferências se dão em sentidos opostos.\n- O fato de não violar a 1° Lei não assegura que ele possa ocorrer 2° Lei da Termodinâmica\n- Um ciclo somente ocorrerá se tanto a 1°, quanto a 2° lei da termodinâmica forem satisfeitas.\n- A 2° lei da Termodinâmica, em um sentido mais amplo indica que todos processos conhecidos ocorrem em um sentido e não no oposto.\n\nAlta Temperatura\nQ\n\nQ\n\nBaixa Temperatura\n\nImpossibilidade de completar o ciclo Motores Térmicos e Refrigeradores\nSistema funciona e um sentido único , só podem operar segundo um ciclo onde o trabalho e o calor são negativos Motores Térmicos e Refrigeradores\nMotor Térmico\n- Sistema que opera segundo um ciclo realizando um trabalho líquido positivo e trocando calor líquido positivo\nEx. Motor a combustão interna\nTurbina a gás\n\nRefrigerador ( bomba de calor)\n- Sistema que opera segundo um ciclo que recebe calor de um corpo o a baixa temperatura e cede calor para um corpo a alta temperatura O ciclo de Carnot\nConsidere um motor térmico que opera entre dois dados reservatórios térmicos e que funcione segundo um ciclo no qual todos processos são reversíveis.\n- Se cada processo é reversível, o ciclo também é reversível,\n- Se o ciclo for invertido o motor térmico se transforma em um refrigerador. Ciclo de Carnot\nO ponto importante a ser destacado aqui é que o ciclo de Carnot, qualquer que seja a substância de trabalho, tem sempre os mesmos quatro processos básicos. São eles:\n1. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de alta temperatura.\n2. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho diminui da temperatura mais alta até a temperatura mais baixa.\n3. Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido para ou do reservatório de baixa temperatura.\n4. Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho aumenta da temperatura mais baixa até a temperatura mais alta. Sistemas de Potencia e Refrigeração\n(com mudança de fase)\n- Algumas centrais de potencia, como uma central simples a vapor d’água = operam segundo ciclo termodinâmico (fechado)\n- O fluido de trabalho sofre uma série de processos (transformações termodinâmicas) = retornam ao estado inicial.\n- Estudaremos os ciclos ideais com mudança de fase = Sistemas com fluido de trabalho que apresentam mudança de fase durante o ciclo.\n- Porque os ciclos reais se distanciam dos ciclos ideais?\n- Equipamentos que são utilizados para nos ciclos básicos para aumento rendimento do ciclo (Ex. Resfriadores, Regeneradores, Compressores e Expanders).