Slide - Energia Calor e Trabalho - Termodinâmica - 2023-2

Energia, Calor e trabalho ZEA0466 – Termodinâmica - FZEA/USP Profa Izabel C. F. Moraes cap 2 tópicos 2.1 e 2.2, páginas 52-56 – energia tópico 2.3, páginas 60-61 – Calor tópico 2.4, páginas 62-66 – Trabalho cap 3 tópico 3.5, página 124 – entalpia cap 4 Tópico 4-1, páginas 165-166 - trabalho de fronteira móvel Cengel & Boles. Termodinâmica. Ed McGraw Hill. 7ª ed. Leitura prévia Energia (E),SI[=] Joule (J) 𝑒 = 𝐸 𝑚 Existe inúmeras formas de energia: mecânica, térmica, química, elétrica, magnética e nuclear Energia cinética (Ec) : velocidade SI [=] m/s m: massa, SI [=] kg e: energia específica, SI [=] J/kg ሶ𝐸 = ሶ𝑚𝑒 ሶ𝐸: taxa de energia, SI [=] J/s ሶ𝑚 : vazão mássica, SI [=] kg/s Formas macroscópicas Ec= 𝑚𝑣2 2 Energia potencial (Ep) h: elevação do CM, em relação à um nível de referência SI [=] m g: aceleração da gravidade SI [=] m/s Ep=mgh ec= 𝑣2 2 ep=gh Unidades ???? Energia Interna (U) Ponto de vista molecular: ➢ Energia cinética molecular: movimento das moléculas Fig. 2.5. As diversas formas microscópicas de energia que constituem a energia sensível Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) ➢ Energia potencial intermolecular: forças entre moléculas ➢ Energia potencial intermolecular: estrutura molecular e atômica Soma de todas as formas microscópicas de energia em um sistema. Epotencial forças de ligação entre moléculas de uma substância átomos dentro de uma molécula partículas dentro de um átomo e seu núcleo Fig. 2.6. “latente” Entalpia (H) SI [=] kJ 𝐻 = 𝑈 + 𝑃 𝑉 ℎ = 𝑢 + 𝑃 𝑣 SI [=] kJ/kg Entalpia específica (h) u: energia interna específica; P: pressão; : volume específico U: energia interna; P: pressão; V: volume Trabalho e Calor, SI[=] Joule (J) Energia pode atravessar a fronteira de um sistema fechado apenas através de duas formas distintas: calor ou trabalho. Ambas são interações energéticas entre um sistema e a sua vizinhança. Trabalho (W): interação energética entre o sistema e a vizinhança cujo único efeito sobre as vizinhanças é equivalente ao levantamento de um peso. Calor (Q): interação energética entre o sistema e a vizinhança provocada por uma diferença de temperatura. Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) Trabalho (W), SI[=] J Mecânica elementar: W =׬1 2 𝐹𝑑𝑥 é a energia transferida de ou para um objeto por meio da aplicação de uma força ao longo de um deslocamento. (wikipedia) Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) A força (F) é constante???? Sim Não W =׬1 2 𝐹𝑑𝑥 W = F x Trabalho (W), SI[=] J ✓ Interação de energia entre o sistema e vizinhança Ex: eixo de rotação, fio elétrico, pistão em movimento (conjunto cilindro-pistão)= trabalho de fronteira móvel ✓ Transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância w= 𝐖 m ሶ𝑊 = 𝐖 t ✓ Potência, SI[=] J/s = Watts (W) ✓ Trabalho específico, SI[=] J/kg Trabalho de fronteira móvel (W), SI[=] J Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) F dx Sistema Q (+) Q (-) W (-) W (+) Convenção de sinais – arbitrário Nesse curso será adotado W =׬1 2 𝐹𝑑𝑥 W =׬1 2 𝑃𝑑𝑉 ou w =׬1 2 𝑃𝑑 P: pressão; V: volume e : volume específico Trabalho de fronteira móvel (W) FIGURA 4–3 A área sob a curva do processo em um diagrama P-V representa o trabalho de fronteira. FIGURA 4–4 O trabalho de fronteira realizado durante um processo depende da trajetória seguida, bem como dos estados inicial e final. Calor (Q), SI[=] J Ou transferência de calor. ✓ Interação de energia quando a força motriz é diferença de temperatura ✓ Forma de energia transferida entre dois sistemas (ou entre um sistema e sua vizinhança) em virtude da diferença de temperatura Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) 𝑞 = 𝑄 𝑚 Calor (Q), SI[=] J Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) Fonte: Çengel & Boles (7ª ed) ׬1 2 𝑑𝑉 =V2-V1=V ׬1 2 𝑊 = W12 (não W) ׬1 2 𝑄 = Q12 (não Q) Função de estado vs “função de trajetória” Calor e trabalho i) Calor e trabalho são fenômenos de fronteira. Ambos são observados na fronteira do sistema e são responsáveis pela Transferência de energia entre o sistema e sua vizinhança; ii) Trabalho e calor são fenômenos de transitórios. Os sistemas não possuem calor ou trabalho. Q e W estão associados a um processo e não a um estado. Portanto, não são propriedades termodinâmicas; Ambos são funções de caminho (=PROCESSO) e não de ponto (=ESTADO). Exemplo: altura é função de ponto e distância é uma função de caminho. Ex. SP está a altura de 676 m e Santos, altura = 0; e a distância SP- Santos, se for pela rodovia Anchieta 74,3 km e pela rodovia imigrantes, 83 km Definições Trabalho: W kJ Calor: Q kJ Diferenciais de funções de caminho: W e Q Trabalho específico: w = W/m kJ/kg Calor específico: q = Q/m kJ/kg Potência: ሶ𝑊 = W/dt kJ/s= kW Taxa de transferência de calor: ሶ𝑄 = Q/dt kJ/s= kW Cálculo do trabalho para um sistema fechado 1) Um gás ideal expande de 3 m3 para 7 m3 . As condições iniciais desse gás incluem uma pressão de 150 kPa uma temperatura de 505 K, respectivamente. Calcule o trabalho para esse processo: (a) a pressão constante e (b) a temperatura constante. (c) Em qual caso o trabalho realizado foi maior? 2) Um arranjo pistão-cilindro contém um gás com comportamento de gás ideal, com pressão inicial de 130 kPa e volume inicial de 0,04 m3. Calcule o trabalho em 4 processos diferentes: a) Isobárico (Vfinal = 0,1 m3) b) Isotérmico (Vfinal = 0,1 m3) c) Isocórico. (Pfinal = 100 kPa) Politrópico – segue um comportamento P.Vn = constante , e para esse problema n=1,3 e o volume final de 0,1 m3. Obrigada!!!! Cuidem-se!!!!!!