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Primeira Lei da Termodinâmica Profa Adriana B Norcino adrianorcinoifspedubr 2 Conteúdo da aula 1Definição de energia 2Situações para pensar na energia 3Formas de energia 4Calor 5Trabalho 61ª Lei da Termodinâmica 7Calor e Trabalho energias transferidas 8 Simplificações Energia é aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema em oposição a uma força que resiste a esta mudança Maxwell 1872 1 Definição de energia 3 2 Situações para pensar na energia Ler um livro Transformação de semente em planta 4 Jogar futebol Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira 2 Situações para pensar na energia Parque eólico João Câmara RN 5 6 3 Formas de energia Energia nuclear Energia atômica Energia magnética Energia química Energia elétrica Energia térmica Energia cinética Energia potencial 3 Formas de energia Termodinâmic a 7 Energia potencial Macroscópicas Energia cinética Microscópicas Energia interna Microscópica Energia interna Referese à energia das moléculas soma de todas as energias microscópicas do sistema energia cinética de translação de rotação e de vibração energias associadas aos elétrons e aos núcleos atômicos energia de ligação etc Independem de um referencial externo 3 Formas de energia 8 Não é medida por um instrumento apenas calculada a partir de outras variáveis para alguns componentes em determinadas condições pode ser encontrada em tabelas 3 Formas de energia 9 10 referência E é a energia potencial kJ e E é a taxa de energia potencial kJs ou kW Onde m é a massa kg e m é a vazão mássica kgs g é a aceleração gravitacional h elevação do sistema em relação a um nível de EP m g z zo Macroscópica Energia potencial gravitacional Relacionada a posição de uma massa em um campo gravitacional EP m g z zo 3 Formas de energia Macroscópica Energia cinética Relacionada ao movimento de um corpo com relação a uma referência Se associa a velocidade do sistema 2 2 1 c E m v 2 Ec 2 m v 1 11 Onde m é a massa kg e m é a vazão mássica kgs v é a velocidade do sistem a em relação a um referência fixo E é a energia cinética kJ e E é a taxa de energia cinética kJs ou kW 3 Formas de energia Energia total do sistema Etotal U Ep Ec Energia total energia interna energia potencial energia cinética Unidade E Joule J Etotal Em kJkg 3 Formas de energia 12 3 Formas de energia 13 Variação da energia total do sistema Variação da energia total Energia total que entra Energia total que sai Etotal U Ec EP 4 Calor Forma de energia transferida entre dois sistemas ou entre o sistema e sua vizinhança em virtude da diferença de temperatura 14 Energia em trânsito flui de um corpo ou substância mais quente para outro mais frio Energia requerida ou liberada pelos equipamentos de processo trocador de calor evaporador caldeira etc O calor é definido como positivo quando é transferido das vizinhanças para o sistema e negativo quando ele for liberado pelo sistema Paredes adiabáticas não permitem a troca de calor Paredes diatérmicas permitem a troca de calor 15 4 Calor quantitativamente como produto de força e Grandeza definida deslocamento 100C P2 100C P1 Estado final Estado inicial 16 5 Trabalho 𝑑𝑊 𝐹𝑑𝑙 𝑑𝑊 𝐹 𝐴 𝑑𝑉 𝑑𝑊 𝑃𝑑𝑉 𝑊 න 𝑃𝑑𝑉 Energia transferida como resposta a qualquer força motriz força torque voltagem exceto T W Força x distância F x L Unidade de trabalho no SI energia Joule J Nm Outras unidades de energia erg gcm2s2 lbfft BTU 17 5 Trabalho Sistema Gás 6 1a Lei da Termodinâmica Princípio da conservação da energia 18 Transformações de energia Transferência de energia Calor e Trabalho Lei de conservação de energia 19 O princípio que fundamenta todos os balanços de energia é a lei de conservação da energia que estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída 6 1a Lei da Termodinâmica 20 Embora a energia assuma diversas formas a quantidade total é constante e quando a energia desaparece em uma forma ela reaparece simultaneamente em outras formas O calor e o trabalho correspondem a energia que podem ser transferidas pelo sistema São energias em trânsito não podem ser acumuladas 7 Calor e Trabalho energias transferidas 21 7 Calor e Trabalho energias transferidas O sistema objeto de estudo é uma região do espaço volume de controle escolhido de forma apropriada e sua vizinhança é a parte externa do sistema fora do volume de controle Aplicandose a conservação de energia temos 22 energia do sistema energia das vizinhanças 0 7 Calor e Trabalho energias transferidas Sistema fechado A massa é necessariamente constante desta forma toda a energia que passa através da fronteira é necessariamente transferida como calor e trabalho energia das vizinhanças Q W energia do sistema U Ec EP U Ec EP Q W 23 24 W 0 trabalho recebido pelo sistema 7 Calor e Trabalho energias transferidas Convenção Q Sistema W Na convenção acima Q 0 calor recebido pelo sistema 24 onde ΔE é a energia total acumulada no sistema Q é o fluxo de calor que está entrando ou saindo do sistema W é o trabalho realizado pelo ou sobre o sistema potência do motor por exemplo 7 Variação da energia do sistema 25 Etotal Q W 7 Variação da energia do sistema Sistema Q W Máquina cíclica 26 U Ec EP Q W Essa equação significa que a variação da energia total de um sistema fechado é igual a energia líquida transferida para o seu interior como calor e trabalho 7 Balanço de energia Sistema fechado U Ec EP Q W 𝑈𝐹 𝑈𝐼 𝐸𝐶𝐹 𝐸𝐶𝐼 𝐸𝑃𝐹 𝐸𝑃𝐼 𝑄 𝑊 27 8 Simplificações U Ec EP Q W ΔU 0 Energia interna é função da composição química do estado de agregação sólido líquido ou gasoso da temperatura e pressão dos materiais do sistema Gases ideais líquidos e sólidos ΔU não depende da pressão então se T é constante e não houver mudança de fase ou reação química ΔU 0 28 8 Simplificações U Ec EP Q W ΔEc 0 Sistema não está acelerando velocidade não varia ΔEP 0 Sistema não está subindo ou descendo mesmo nível 29 8 Simplificações U Ec EP Q W Q 0 Se um sistema e suas vizinhanças estão à mesma temperatura ou se o sistema está perfeitamente isolado não há perda e nem ganho de calor Sistema adiabático 30 8 Simplificações U Ec EP Q W W 0 Quando não há deslocamento da fronteira ou passagem de corrente elétrica ou radiação através da fronteira Quando não há partes móveis eixo 31 Exemplos 32 1 Água flui para dentro de uma unidade de processo através de uma tubulação de 2 cm de diâmetro interno Di com uma vazão de 20 m3h Calcule a energia cinética para esta corrente em Js Exemplos 1 Água flui para dentro de uma unidade de processo através de uma tubulação de 2 cm de diâmetro interno Di com uma vazão de 20 m3h Calcule a energia cinética para esta corrente em Js 33 Exemplos 35 2 Se 250 J são adicionados a um sistema na forma de calor qual será o valor de Q na equação de energia Se 250 J de trabalho são realizados sobre o sistema qual será o valor de W Nessas condições qual será a variação de energia total acumulada Exemplos 2 Se 250 J são adicionados a um sistema na forma de calor qual será o valor de Q na equação de energia Se 250 J de trabalho são realizados sobre o sistema qual será o valor de W Nessas condições qual será a variação de energia total acumulada 36 Exercícios 37 1Um motor de automóvel realiza 530 kJ de trabalho e libera 220 kJ de energia como calor Qual a variação da energia do motor 2Óleo é bombeado com uma vazão de 150 kgs desde um poço de 220 m de profundidade até um tanque de armazenamento situado 20 m acima do nível do chão Calcule a taxa de aumento da energia potencial 3 Suponha que a energia inicial de um sistema interna cinética potencial é Ei que a energia final é Ef que uma quantidade de energia Q é transferida das vizinhanças para o sistema na forma de calor e que uma quantidade de energia W é transferida do sistema para as vizinhanças na forma de trabalho De acordo com a primeira lei da termodinâmica como estão relacionadas Ei Ef Q e W Exercícios 38 38 Exercícios 39 38 4Um sistema tinha 200 J de trabalho realizado sobre ele mas sua energia interna diminuiu 40 J Calcule o calor O sistema ganhou ou perdeu calor no processo 5Um sistema foi aquecido utilizando 300 J de calor enquanto as sua energia interna diminuiu 150 J Calcule o trabalho Foi realizado trabalho sobre o sistema ou o sistema realizou trabalho Referências 40 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7ª ed Porto Alegre AMGH 2013 BORGNAKKE C SONNTAG RE Fundamentos da Termodinâmica 2ª ed São Paulo Blucher 2018 httpwwwjmftecnologiacombrprodutoselevadoreselevador
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Primeira Lei da Termodinâmica Profa Adriana B Norcino adrianorcinoifspedubr 2 Conteúdo da aula 1Definição de energia 2Situações para pensar na energia 3Formas de energia 4Calor 5Trabalho 61ª Lei da Termodinâmica 7Calor e Trabalho energias transferidas 8 Simplificações Energia é aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema em oposição a uma força que resiste a esta mudança Maxwell 1872 1 Definição de energia 3 2 Situações para pensar na energia Ler um livro Transformação de semente em planta 4 Jogar futebol Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira 2 Situações para pensar na energia Parque eólico João Câmara RN 5 6 3 Formas de energia Energia nuclear Energia atômica Energia magnética Energia química Energia elétrica Energia térmica Energia cinética Energia potencial 3 Formas de energia Termodinâmic a 7 Energia potencial Macroscópicas Energia cinética Microscópicas Energia interna Microscópica Energia interna Referese à energia das moléculas soma de todas as energias microscópicas do sistema energia cinética de translação de rotação e de vibração energias associadas aos elétrons e aos núcleos atômicos energia de ligação etc Independem de um referencial externo 3 Formas de energia 8 Não é medida por um instrumento apenas calculada a partir de outras variáveis para alguns componentes em determinadas condições pode ser encontrada em tabelas 3 Formas de energia 9 10 referência E é a energia potencial kJ e E é a taxa de energia potencial kJs ou kW Onde m é a massa kg e m é a vazão mássica kgs g é a aceleração gravitacional h elevação do sistema em relação a um nível de EP m g z zo Macroscópica Energia potencial gravitacional Relacionada a posição de uma massa em um campo gravitacional EP m g z zo 3 Formas de energia Macroscópica Energia cinética Relacionada ao movimento de um corpo com relação a uma referência Se associa a velocidade do sistema 2 2 1 c E m v 2 Ec 2 m v 1 11 Onde m é a massa kg e m é a vazão mássica kgs v é a velocidade do sistem a em relação a um referência fixo E é a energia cinética kJ e E é a taxa de energia cinética kJs ou kW 3 Formas de energia Energia total do sistema Etotal U Ep Ec Energia total energia interna energia potencial energia cinética Unidade E Joule J Etotal Em kJkg 3 Formas de energia 12 3 Formas de energia 13 Variação da energia total do sistema Variação da energia total Energia total que entra Energia total que sai Etotal U Ec EP 4 Calor Forma de energia transferida entre dois sistemas ou entre o sistema e sua vizinhança em virtude da diferença de temperatura 14 Energia em trânsito flui de um corpo ou substância mais quente para outro mais frio Energia requerida ou liberada pelos equipamentos de processo trocador de calor evaporador caldeira etc O calor é definido como positivo quando é transferido das vizinhanças para o sistema e negativo quando ele for liberado pelo sistema Paredes adiabáticas não permitem a troca de calor Paredes diatérmicas permitem a troca de calor 15 4 Calor quantitativamente como produto de força e Grandeza definida deslocamento 100C P2 100C P1 Estado final Estado inicial 16 5 Trabalho 𝑑𝑊 𝐹𝑑𝑙 𝑑𝑊 𝐹 𝐴 𝑑𝑉 𝑑𝑊 𝑃𝑑𝑉 𝑊 න 𝑃𝑑𝑉 Energia transferida como resposta a qualquer força motriz força torque voltagem exceto T W Força x distância F x L Unidade de trabalho no SI energia Joule J Nm Outras unidades de energia erg gcm2s2 lbfft BTU 17 5 Trabalho Sistema Gás 6 1a Lei da Termodinâmica Princípio da conservação da energia 18 Transformações de energia Transferência de energia Calor e Trabalho Lei de conservação de energia 19 O princípio que fundamenta todos os balanços de energia é a lei de conservação da energia que estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída 6 1a Lei da Termodinâmica 20 Embora a energia assuma diversas formas a quantidade total é constante e quando a energia desaparece em uma forma ela reaparece simultaneamente em outras formas O calor e o trabalho correspondem a energia que podem ser transferidas pelo sistema São energias em trânsito não podem ser acumuladas 7 Calor e Trabalho energias transferidas 21 7 Calor e Trabalho energias transferidas O sistema objeto de estudo é uma região do espaço volume de controle escolhido de forma apropriada e sua vizinhança é a parte externa do sistema fora do volume de controle Aplicandose a conservação de energia temos 22 energia do sistema energia das vizinhanças 0 7 Calor e Trabalho energias transferidas Sistema fechado A massa é necessariamente constante desta forma toda a energia que passa através da fronteira é necessariamente transferida como calor e trabalho energia das vizinhanças Q W energia do sistema U Ec EP U Ec EP Q W 23 24 W 0 trabalho recebido pelo sistema 7 Calor e Trabalho energias transferidas Convenção Q Sistema W Na convenção acima Q 0 calor recebido pelo sistema 24 onde ΔE é a energia total acumulada no sistema Q é o fluxo de calor que está entrando ou saindo do sistema W é o trabalho realizado pelo ou sobre o sistema potência do motor por exemplo 7 Variação da energia do sistema 25 Etotal Q W 7 Variação da energia do sistema Sistema Q W Máquina cíclica 26 U Ec EP Q W Essa equação significa que a variação da energia total de um sistema fechado é igual a energia líquida transferida para o seu interior como calor e trabalho 7 Balanço de energia Sistema fechado U Ec EP Q W 𝑈𝐹 𝑈𝐼 𝐸𝐶𝐹 𝐸𝐶𝐼 𝐸𝑃𝐹 𝐸𝑃𝐼 𝑄 𝑊 27 8 Simplificações U Ec EP Q W ΔU 0 Energia interna é função da composição química do estado de agregação sólido líquido ou gasoso da temperatura e pressão dos materiais do sistema Gases ideais líquidos e sólidos ΔU não depende da pressão então se T é constante e não houver mudança de fase ou reação química ΔU 0 28 8 Simplificações U Ec EP Q W ΔEc 0 Sistema não está acelerando velocidade não varia ΔEP 0 Sistema não está subindo ou descendo mesmo nível 29 8 Simplificações U Ec EP Q W Q 0 Se um sistema e suas vizinhanças estão à mesma temperatura ou se o sistema está perfeitamente isolado não há perda e nem ganho de calor Sistema adiabático 30 8 Simplificações U Ec EP Q W W 0 Quando não há deslocamento da fronteira ou passagem de corrente elétrica ou radiação através da fronteira Quando não há partes móveis eixo 31 Exemplos 32 1 Água flui para dentro de uma unidade de processo através de uma tubulação de 2 cm de diâmetro interno Di com uma vazão de 20 m3h Calcule a energia cinética para esta corrente em Js Exemplos 1 Água flui para dentro de uma unidade de processo através de uma tubulação de 2 cm de diâmetro interno Di com uma vazão de 20 m3h Calcule a energia cinética para esta corrente em Js 33 Exemplos 35 2 Se 250 J são adicionados a um sistema na forma de calor qual será o valor de Q na equação de energia Se 250 J de trabalho são realizados sobre o sistema qual será o valor de W Nessas condições qual será a variação de energia total acumulada Exemplos 2 Se 250 J são adicionados a um sistema na forma de calor qual será o valor de Q na equação de energia Se 250 J de trabalho são realizados sobre o sistema qual será o valor de W Nessas condições qual será a variação de energia total acumulada 36 Exercícios 37 1Um motor de automóvel realiza 530 kJ de trabalho e libera 220 kJ de energia como calor Qual a variação da energia do motor 2Óleo é bombeado com uma vazão de 150 kgs desde um poço de 220 m de profundidade até um tanque de armazenamento situado 20 m acima do nível do chão Calcule a taxa de aumento da energia potencial 3 Suponha que a energia inicial de um sistema interna cinética potencial é Ei que a energia final é Ef que uma quantidade de energia Q é transferida das vizinhanças para o sistema na forma de calor e que uma quantidade de energia W é transferida do sistema para as vizinhanças na forma de trabalho De acordo com a primeira lei da termodinâmica como estão relacionadas Ei Ef Q e W Exercícios 38 38 Exercícios 39 38 4Um sistema tinha 200 J de trabalho realizado sobre ele mas sua energia interna diminuiu 40 J Calcule o calor O sistema ganhou ou perdeu calor no processo 5Um sistema foi aquecido utilizando 300 J de calor enquanto as sua energia interna diminuiu 150 J Calcule o trabalho Foi realizado trabalho sobre o sistema ou o sistema realizou trabalho Referências 40 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7ª ed Porto Alegre AMGH 2013 BORGNAKKE C SONNTAG RE Fundamentos da Termodinâmica 2ª ed São Paulo Blucher 2018 httpwwwjmftecnologiacombrprodutoselevadoreselevador