Slide - Aulas 13 - Introdução Aos Balanços de Energia - Análise de Sistemas Fechados - Termodinâmica - 2023-1

ZEA0466 - Termodinâmica INTRODUÇÃO AOS BALANÇOS DE ENERGIA ANÁLISE DE SISTEMAS FECHADOS Profa Ivana M. G. de Andrade Aula 13 Universidade de São Paulo Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA0361 - FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS 1º semestre - 2023 Vamos falar um pouco sobre o trabalho de fronteira (Wf): Fronteira móvel É uma forma de trabalho mecânico muito comum que está relacionada com a expansão e compressão de um gás num dispositivo de cilindro-êmbolo. Durante este proceso, parte da fronteira se move, então o trabalho de expansão e compressão se chama TRABALHO DE FRONTEIRA MÓVEL. ZEA0466 - Termodinâmica O pistão se move à uma distância ds, então, a quantidade diferencial de trabalho feito pelo sistema será: Mas P = F/A Se o deslocamento se dá de 1 para 2: Trabalho de fronteira 3 Caminho do processo Trabalho de fronteira O proceso de expansão descrito apresentado em um diagrama P-V mostra que a área diferencial dA é igual à PdV, que é o trabalho diferencial. A área total é a soma das áreas diferenciais. Exemplo 1: Um tanque rígido contém ar a 500 kPa e 150º c. como resultado da transferência de calor para as vizinhanças, a temperatura e a pressão interna do tanque caem para 65º c e 400 kPa. qual o trabalho realizado durante esse processo? Calor Exemplo 2: Um arranjo cilindro-pistão sem atrito contém 10 lbm de vapor d´água a 60 psia e 320º F. Calor é transferido para o vapor até que a sua temperatura atinja 400º F. Considerando que o pistão não esteja preso a um eixo e sua massa seja constante, determine o trabalho realizado pelo vapor durante o processo. Calor 320 7.4863 1109.6 1192.7 1.6636 360 7.9259 1125.5 1213.5 1.6897 400 8.3548 1140.9 1233.7 1.7138 Exemplo 3: Um arranjo cilindro-pistão contém 0,4 m3 de ar a 100 kPa e 80º C. O ar é então comprimido para 0,1 m3 de tal maneira que a temperatura do cilindro permaneça constante. Qual o trabalho realizado durante o processo? Exemplo 4: Um tanque rígido está dividido em 2 partes iguais por uma partição. Inicialmente, um lado do tanque contém 5 kg de água a 200 kPa e 25º C, e o outro lado está vazio. A partição é removida, e a água se expande ocupando todo o tanque. Suponha que a água troque calor com as vizinhanças até que a temperatura no tanque retorne ao valor inicial de 25º C. Determine: a) O volume do tanque b) A pressão final do tanque c) A transferência de calor no processo Fronteira do sistema Partição Espaço evacuado 25 3.1698 0.001003 43.340 104.83 2304.3 41.50 104.83 2304.3 0.001 2500.9 2500.9 0.0000 9.1556 9.1556 Exemplo 5: Ar a 300 K e 200 kPa é aquecido a pressão constante até 600 K. Determine a variação de energia interna do gás por unidade de massa, usando: a) Dados tabelados b) Forma funcional do calor específico c) Valor médio do calor específico. 300 300.19 1.3860 214.07 600 607.02 16.28 434.78 TABLE A–2 Ideal-gas specific heats of various common gases (Concluded) (c) As a function of temperature cp = a + bT + cT^2 + dT^3 (T in K, cp in kJ/kmol · K) Substance Formula a b c d Temperature range, K % error Max. Avg. Nitrogen N2 28.90 –0.1571 × 10–2 0.8081 × 10–5 –2.873 × 10–9 273–1800 0.59 0.34 Oxygen O2 25.48 1.520 × 10–2 2.155 × 10–5 1.312 × 10–9 273–1800 1.19 0.28 Air — 28.11 0.1967 × 10–2 0.4802 × 10–5 –1.966 × 10–9 273–1800 0.72 0.33 Hydrogen H2 29.11 –0.1916 × 10–2 0.4003 × 10–5 –0.8704 × 10–9 273–1800 1.01 0.26 Carbon monoxide CO 28.16 0.1675 × 10–2 0.5372 × 10–5 –2.222 × 10–9 273–1800 0.89 0.37 Carbon dioxide CO2 22.26 5.981 × 10–2 3.501 × 10–5 7.469 × 10–9 273–1800 0.67 0.22 Water vapor H2O 32.24 0.1923 × 10–2 1.055 × 10–5 –3.595 × 10–9 273–1800 0.53 0.24 Nitric oxide NO 29.34 –0.09395 × 10–2 0.3943 × 10–5 –4.187 × 10–9 273–1800 0.97 0.36 Nitrous oxide N2O 24.11 5.8632 × 10–2 1.562 × 10–5 10.58 × 10–9 273–1500 0.59 0.26 Nitrogen dioxide NO2 22.9 5.715 × 10–2 3.52 × 10–5 7.87 × 10–9 273–1500 0.46 0.18 Ammonia NH3 27.568 2.5630 × 10–2 0.2072 × 10–5 –6.6909 × 10–9 273–1800 0.91 0.36 Sulfur S2 27.21 2.218 × 10–2 1.628 × 10–5 3.986 × 10–9 273–1800 0.99 0.38 Sulfur TABLE A–2 Ideal-gas specific heats of various common gases (Continued) (b) At various temperatures Temperature, K cp kJ/kg · K cv kJ/kg · K k cp kJ/kg · K cv kJ/kg · K k cp kJ/kg · K cv kJ/kg · K k Air Carbon dioxide, CO2 Carbon monoxide, CO 250 1.003 0.716 1.401 0.791 0.602 1.314 1.039 0.743 1.400 300 1.005 0.718 1.400 0.846 0.657 1.288 1.040 0.744 1.399 350 1.008 0.721 1.398 0.895 0.706 1.268 1.043 0.746 1.398 400 1.013 0.726 1.395 0.939 0.750 1.252 1.047 0.751 1.395 450 1.020 0.733 1.391 0.978 0.790 1.239 1.054 0.757 1.392 500 1.029 0.742 1.387 1.014 0.825 1.229 1.063 0.767 1.387 550 1.040 0.753 1.381 1.046 0.857 1.220 1.075 0.778 1.382 600 1.051 0.764 1.376 1.075 0.886 1.213 1.087 0.790 1.376 650 1.063 0.776 1.370 1.100 0.913 1.207 1.100 0.803 1.370 700 1.075 0.788 1.364 1.126 0.937 1.202 1.113 0.816 1.364 750 1.087 0.800 1.359 1.149 0.959 1.197 1.126 0.829 1.358 800 1.099 0.812 1.354 1.169 0.980 1.193 1.139 0.842 1.353 900 1.121 0.834 1.344 1.204 1.015 1.186 1.163 0.866 1.343 1000 1.142 0.855 1.336 1.234 1.045 1.181 1.185 0.888 1.335 Exemplo 6: Um arranjo cilindro-pistão inicialmente a 150 kPa e 27º C contém 400 L de ar. A massa do pistão é tal que é necessário 350 kPa para movê-lo. O ar é então aquecido até que seu volume dobre. Determine: a) Temperatura final b) Trabalho realizado pelo ar c) Calor transferido para o ar Exemplo 7: Um bloco de ferro de 50 kg é mergulhado em um tanque termicamente isolado contendo 0,5 m3 de água líquida a 25º C. Determine a temperatura quando o equilíbrio térmico é atingido.