Primeira Lei da Termodinâmica: Energia, Formas e Transferência

Primeira Lei da Termodinâmica Energia Formas Transferência e Análise Geral Enunciado A energia se conserva Ela não pode ser criada nem destruída durante um processo e sim apenas mudar de forma Formas de Energia A energia pode existir em inúmeras formas térmica mecânica cinética potencial elétrica magnética química nuclear etc e a soma delas constitui a energia total de um sistema A energia total apresentase em duas formas microscópicas e macroscópicas Formas Microscópicas São aquelas relacionadas à estrutura molecular de um sistema e ao grau de atividade molecular e são independentes de referenciais externos Ex energia cinética molecular energia química energia nuclear Formas Macroscópicas Está relacionada ao movimento do sistema como um todo com relação a algum referencial externo Ex energia cinética energia potencial Energia cinética energia que um sistema possui como resultado de seu movimento relativo a algum referencial Quando todas as partes de um sistema se movem com a mesma velocidade e energia cinética é expressa como kJ kg 2 v ec kJ 2 m v Ec 2 2 Energia potencial energia que um sistema possui como resultado de sua altura em um campo gravitacional É expressa como kJ kg g z ep kJ m g z Ep Energia interna definida como a soma de todas as formas microscópicas de energia e está relacionada à estrutura molecular e ao grau de atividade molecular É dividida em Energia sensível é a parte da energia interna de um sistema associada às energias cinéticas das moléculas Energia latente é a parte da energia interna associada à fase de um sistema Energia química é a parte da energia interna associada às ligações atômicas de uma molécula Energia nuclear é a parte da energia interna associada às fortes ligações existentes no interior do núcleo do átomo Na ausência de efeitos magnéticos e elétricos a energia total de um sistema consiste na somatória das energias interna cinética e potencial e é expressa como kJ kg g z 2 v u ep ec u e kJ m g z 2 m v U Ep Ec U E 2 2 Energia mecânica definida como a forma de energia que pode ser convertida completa e diretamente em trabalho mecânico por um dispositivo mecânico ideal ou uma turbina ideal Ex energia cinética potencial e energia de pressão kJ kg P g z 2 v emec kJ P g z 2 v m Emec 2 2 ρ ρ Mecanismos de Transferência de Energia Energia pode cruzar a fronteira de um sistema aberto na forma de calor trabalho ou fluxo de massa Energia pode cruzar a fronteira de um sistema fechado de duas formas distintas calor e trabalho Fluxo de massa a energia do sistema aumenta quando há entrada de massa porque massa carrega energia da mesma forma quando massa sai do sistema a energia nele contida diminui porque a massa sai e leva com ela alguma energia Calor definido como a forma de energia transferida entre dois sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança em virtude da diferença de temperaturas Trabalho definido como a forma de energia transferida associada a uma força que age ao longo de uma distância Se a energia que cruza a fronteira de um sistema fechado não é calor ela deve ser trabalho O trabalho realizado por uma força F sobre um corpo deslocado de uma distância s na direção da força é dado por 2 1 kJ F ds W kJ s F W Processo Adiabático é aquele durante o qual não há transferência de calor A palavra adiabático vem do grego adiabatos que significa intransponível Existem duas maneiras pelas quais um processo pode ser adiabático 1ª O sistema pode ser bem isolado para que apenas uma quantidade desprezível de calor passe através da fronteira ou 2ª O sistema e a vizinhança estão à mesma temperatura e portanto não há força motriz para transferência de calor Trabalho elétrico os elétrons cruzam a fronteira do sistema e realizam trabalho elétrico sobre o sistema Pode ser expresso pela equação abaixo onde V é a diferença de potencial t é o tempo e I é a corrente elétrica Neste caso a força é a voltagem e o deslocamento é a carga elétrica kW V I W kJ t V I W kJ V I dt W e e 2 1 e Trabalho de eixo ocorre quando a transmissão de energia acontece por meio da rotação de um eixo Para um torque constante o trabalho de eixo realizado durante n revoluções é determinado pelas equações abaixo onde T é o torque r é o raio ou braço F é a força s é a distância e n o número de revoluções kW n T 2 W kJ n T 2 r n r 2 T s F W r n 2 s r T F F r T eixo eixo π π π π Trabalho contra uma mola é o trabalho realizado quando uma força é aplicada a uma mola e o comprimento da mola muda É expresso por 2 1 mola kJ F dx W Para molas elásticas lineares o deslocamento x é proporcional à força aplicada ou seja kJ x x 2 k 1 W kJ k x dx W N k x F 2 1 2 2 mola 2 1 mola Trabalho de fronteira móvel é aquele associado ao processo de expansão ou compressão de um gás em um arranjo pistãocilindro Durante este processo parte da fronteira superfície interna do pistão se move e portanto este trabalho é geralmente chamado de trabalho de fronteira móvel ou simplesmente trabalho de fronteira e é expresso por kJ P dV W 2 1 fronteira Eficiências de Dispositivos Mecânicos e Elétricos min uição da energia mecânica do fluido na entrada da turbina Di elétrica na saída do gerador Energia to de energia elétrica para a bomba Fornecimen da energia mecânica do fluido Aumento to de energia mecânica pela turbina Fornecimen elétrica na saída do gerador Energia to de energia elétrica para a bomba Fornecimen mecânica fornecida pela bomba Energia min uição da energia mecânica do fluido na entrada da turbina Di mecânica na saída da turbina Energia to de energia mecânica pela bomba Fornecimen da energia mecânica do fluido Aumento gerador turbina gerador turbina motor bomba motor bomba gerador motor turbina bomba η η η η η η η η η η