Termodinamica Aplicada - Primeira Lei - Sistemas e Propriedades

Termodinâmica Aplicada Aula 2 Primeira Lei da Termodinâmica Curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia Profa Valéria C R Sarnighausen CONTEÚDO DA AULA 2 início do conceito de balanço de energia 1 Introdução aos sistemas termodinâmicos e propriedades 2 Energia e suas formas 3 Primeira Lei da Termodinâmica energia interna e fluxos de energia O que são e tipos de sistemas Propriedades dos sistemas Estado do sistema Estados de equilíbrio Processos Introdução aos sistemas Termodinâmicos Formalização 1 Introdução aos sistemas Termodinâmicos Tipos de sistemas Isolado sem transferência de massa e de energia Fechado sem transferência de massa Aberto com transferência de massa e de energia Propriedades de um sistema Qualquer característica de um sistema é uma propriedade exemplos pressão temperatura volume massa viscosidade etc Propriedades intensivas independem da massa de um sistema Propriedades extensivas dependem do tamanho ou extensão do sistema Propriedades específicas dependência entre grandezas FIGURA 124 Critério para diferenciar propriedades intensivas e extensivas Sistemas e volumes de controle Massa de controle sistema fechado Volume de controle sistema aberto Densidade relativa DR ρρH2O FIGURA 126 Densidade é massa por unidade de volume volume específico é volume por unidade de massa TABELA 13 Densidade relativa Substância DR Água 10 Sangue 105 Água do mar 1025 Gasolina 07 Álcool etílico 079 Mercúrio 136 Madeira 0309 Ouro 192 Ossos 1720 Gelo 092 Ar a 1 atm 00013 Densidade da água 1000 kgm³ Um sistema está num estado de equilíbrio termodinâmico se está simultaneamente em equilíbrio mecânico térmico químico e de fases EM UM ESTADO DE EQUILÍBRIO NÃO EXISTEM POTENCIAIS DESBALANCEADOS NO SISTEMA Equilíbrio Mecânico não há variação de pressão em nenhum ponto do sistema Equilíbrio Térmico o sistema está em todos os pontos a uma mesma temperatura Equilíbrio de fase não há transição de fases e estas encontramse juntas em um mesmo sistema Equilíbrio químico a constituição do sistema não muda com o tempo hot coffee cold milk Mechanical Equilibrium ΣF0 The sum of the upward vectors equals the sum of the downward vectors NO2N2O4 Equilibrium achieved Triple Point Compressível simples sem influência de forças externas Qual o estado da água a 20C e 1 atm TABELA 31 Pressão de saturação ebulição da água a diversas temperaturas Temperatura T C Pressão de saturação Psat kPa 10 026 5 040 0 061 5 087 10 123 15 171 20 234 25 317 30 425 40 739 50 1235 100 1014 150 4762 200 1555 250 3976 300 8588 Altura m kPa C 0 10133 1000 1 000 8955 965 2 000 7950 933 5 000 5405 833 10 000 2650 663 20 000 553 347 A mudança de um estado para outro é chamado de processo Processos Isotérmico isobárico isocórico e adiabático Expansão isotérmica Sistema de compensação Equilíbrio entre forças agitação das moléculas x pressão do êmbolo Transferência de calor Processos Isotérmico isobárico isocórico e adiabático Expansão isobárica Aumento da pressão exercida pela água por meio de aumento da energia cinética temperatura Processos Isotérmico isobárico isocórico e adiabático Processo isocórico Sistema de contenção física massa de controle Processos Isotérmico isobárico isocórico e adiabático Expansão adiabática atmosfera Redução de pressão expansão de massas de ar Regimes de processos Permanente contínuo Transiente transitório Processos em regime permanente aproximação para contínuo Nenhuma modificação com o tempo FIGURA 133 Durante um processo em regime permanente as propriedades do fluído dentro do volume de controle podem variar com a posição mas não com o tempo Regime permanente Entrada de massa Saída de massa Volume de controle mVC constante EVC constante FIGURA 134 Sob condições de regime permanente as quantidades de massa e energia de um volume de controle permanecem constantes Dispositivos de engenharia para uso contínuo Turbinas bombas caldeiras condensadores trocadores de calor usinas de potência e sistemas de refrigeração Processos em regime transiente ou intermitente Varia com o tempo está relacionado com processo de acionamento e desligamento de dispositivos da engenharia Exemplos processos de esterilização com vapor superaquecido Linha de alimentação Volume de controle Fronteira do VC Linha do tempo de um processo que ocorre em regime permanente Diferenças entre regime permanente e transiente Diferenças entre regime permanente e transiente Linha do tempo de um processo que ocorre em regime transiente Energia Magnética Energia potencial Energia cinética Energia Total de um sistema mecânico 2 Energias e suas formas Seja qual for a energia ela pode ser representada por unidade de massa tal como Microscópica e macroscópica E kJ Energia Absoluta e E m kJkg Energia específica Energia Total de um sistema efeitos magnéticos elétricos e de tensão superficial são significativos em apenas alguns casos específicos Para sistemas fechados Ec e Ep permanecem inalteradas sistema estacionário Primeira Lei da Termodinâmica Princípio da Conservação de Energia O que é balanço de energia O que são entradas e saídas de um sistema Qual o referencial utilizado Balanço de Energia Diferença entre taxas ou valores absolutos de energia que entram e saem do sistema Eent Esai Qent Qsai Went Wsai Emassa ent Emassa sai ΔEsistema Energia líquida transferida por calor trabalho e massa Variação das energias interna cinética potencial etc ou na forma de taxa como Taxa de energia líquida transferida por calor trabalho e massa Taxa de variação das energias interna cinética potencial etc Diferença entre RP e RT para balanços RP 1 Fluxo constante de massa 2 Propriedades termodinâmicas não variam em dado ponto do sistema 3 Não pode haver acúmulo no sistema RT 1 Massa colocada por batelada 2 Propriedades termodinâmicas variam entre início e fim do processo 3 Pode haver acúmulo no sistema Volumes de controle envolvem fluxo de massa BOCAL FLUIDO ENTRANDO FLUIDO SAINDO DIFUSOR FLUIDO ENTRANDO FLUIDO SAINDO Eficiência de conversão de Energia Indica o grau de sucesso de um processo de transferência ou de transformação de energia Eficiência O que de fato foi utilizado no sistema o que foi oferecido para o sistema Eficiência Energia utilizada Energia fornecida ao aparelho 3 kWh 5 kWh 060 FIGURA 258 A eficiência de um utensílio para cozinhar representa a fração da energia fornecida ao aparelho que é transferida para o alimento ηturbina 075 ηgerador 097 Turbina Gerador Weletr sai Orientações de estudos Livro Texto Çengel Boles 2013 Capítulo 2 Atenção para Conceitos de energia interna transferência de energia e balanço de energia Exercícios resolvidos e lista de exercícios Resolução de problemas Condições de contorno 1 Identificar as informações do enunciado 2 Resgatar conceitos listando cada um referentes ao tema do problema 3 Identificar as unidades da resposta requerida 4 Organizar de forma lógica a construção do raciocínio conceitual e matemático concomitantemente Exercícios de revisão Considere o processo de cozinhar feijão em uma panela de pressão convencional a partir do momento em que a panela é fechada e colocada no fogo até o ponto em que o cozimento é finalizado Para este cenário faça o seguinte Classifique a panela de pressão como um tipo de sistema termodinâmico justificando a sua resposta com base na troca de massa e energia com a vizinhança Descreva o estado do sistema dentro da panela durante a fase de cozimento discutindo se atinge um estado de equilíbrio termodinâmico Nomeie o principal tipo de processo termodinâmico que ocorre dentro da panela e descrevao relacionandoo com os fluxos de energia