Autor: Prof. Dr. Carlos Alberto R. Brito Júnior

São Luís – MA/Brasil

2015

Agenda

• Aplicabilidade

• Definições gerais

• Calor

• Trabalho e Energia

• 1ª Lei da Termodinâmica e balanço de energia

A Termodinâmica auxilia a Engenharia nos estudos

de sistemas e suas relações com a vizinhança. A

seguir, de maneira simples apresenta-se algumas

aplicações na Engenharia para a Termodinâmica que

consequentemente norteiam as características das

máquinas térmicas.

Instalação de uma Termoelétrica

Usina termoeletrica a carvão

Instalação de uma Termoelétrica

Podemos identificar algumas máquinas térmicas e seus dispositivos usadas para este propósito: •Um gerador de vapor (fornalha ou caldeira); •Uma turbina a vapor; •Um trocador de calor (com a função de condensador), e; •Uma torre de resfriamento.

Instalação de uma Termoelétrica

Um gerador de vapor (fornalha ou caldeira)

Instalação de uma Termoelétrica

•O gerador de vapor (caldeira) utiliza como combustível

o carvão (ou óleo, gás ou biomassa) misturado ao ar

para fornecer calor suficiente à àgua que circula em

uma série de tubos (caldeira aquatubular) onde ao

receber este calor, varia a sua entalpia e

consequentemente o seu estado físico tornando-se,

por fim, vapor superaquecido sob alta pressão;

Instalação de uma Termoelétrica

Turbina

Instalação de uma Termoelétrica

Turbina

O vapor expande na turbina (por meio de um expansor)

de maneira a impulsionar suas palhetas distribuidas ao

longo do rotor, convertendo assim a energia potencial

do vapor em energia cinética fazendo a turbina realizar

trabalho. O gerador elétrico é, portanto, acionado por

esta turbina;

Instalação de uma Termoelétrica

Trocador de calor

Instalação de uma Termoelétrica

Torre de Resfriamento

Instalação de uma Termoelétrica

Trocador de calor

O vapor a baixa pressão deixa a turbina e entra no

trocador de calor. Neste equipamento ocorre a

transferência de calor deste vapor para a água de

refrigeração proveniente da torre de resfriamento. Assim

o vapor a baixa pressão se condensa e pode ser

redirecionado para o gerador de vapor (fechando o ciclo

térmico) ou para outro sistema que requer aquecimento e

que esteja instalado próximo a termoelétrica.

Sistema Usado para identificar o objeto da análise. Ex.: Tubulação onde um fluido escoa. Vizinhança Tudo o que é externo ao sistema. Fronteira Lugar real ou imaginário que separa o Sistema de sua Vizinhança. Sistema fechado Há uma quantidade fixa de matéria. A massa sob análise não entra, nem sai.

Volume de Controle Região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa. Estado É a condição termodinâmica de um sistema. Em cada fase podemos ter uma infinidade de estados. Em cada fase a substância pode existir submetida a diversos valores de pressão, temperatura, volume, energia interna, entalpia e etc. O conjunto de duas ou três dessas propriedades define o estado.

Energia interna (U) É a soma de todas as formas de energia microscópicas tais como energia cinética e potencial das moléculas que compõe um sistema. A energia total do sistema E inclui E cinética, E potencial, gravitacional e quaisquer outras formas de Energia. E2 - E1 = (KE2 - KE1) + (PE2 - PE1) + (U2 - U1) energia interna E = KE + PE + U E representa a energia total do sistema U = Energia interna: são todas as outras formas de energia excluindo as cinética e potencial.

Energia interna (U) É a soma de todas as formas de energia microscópicas tais como energia cinética e potencial das moléculas que compõe um sistema. A energia total do sistema E inclui E cinética, E potencial, gravitacional e quaisquer outras formas de Energia. E2 - E1 = (KE2 - KE1) + (PE2 - PE1) + (U2 - U1) energia interna E = KE + PE + U E representa a energia total do sistema U = Energia interna: são todas as outras formas de energia excluindo as cinética e potencial.

Entalpia (H) Em muitos processos termodinâmicos aparece a soma da Energia Interna e do produto PV (Pressão e Volume). Essa combinação constitui uma propriedade denominada entalpia. U + PV = H (entalpia) u + Pv = h (entalpia específica) (entalpia específica/base molar)

A energia calor é transmitida entre o sistema e a vizinhança como resultado de um desequilíbrio térmico. Se for verificado um equilibrio termico entre dois corpos por meio de um terceiro corpo (na prática o termometro) diz que isto é um enunciado para a Lei Zero da Termodinâmica.

. 1 cal = 4,18 J

A taxa de transferência de calor líquida

Calor não é uma propriedade, pois depende de outros parâmetros do processo e não somente dos estados inicial e final. Assim, a quantidade de calor Q transferida durante o processo pode ser dada como:

Em alguns casos é conveniente usar o fluxo de calor por

unidade de área, assim a taxa líquida de transferência de

calor pode ser obtida por:

Unidades:

Condução

Radiação térmica

Convecção O mecanismo da convecção pode ser entendido como a ação combinada de condução de calor na região de baixa velocidade onde existe um gradiente de temperatura e movimento de mistura na região de alta velocidade.

h = Coeficiente de transferência de calor (não é propriedade é empírico)

Inicialmente entende-se por trabalho mecânico como sendo:

Pelas leis de Newton relativa aos movimentos, foi possivel deduzir a Energia Cinética relacionada a um Trabalho como:

Decompondo onde, é uma força vertical que despreza a ação gravitacional e supondo ainda que S é a altura projetada pelo movimento vertical de uma massa, temos para a equação anterior:

o trabalho da força resultante (excluída a força peso) corresponde a soma das variações das energias cinética e potencial do corpo, que em termos de energia pode ser interpretado como ‘a energia transferida ao corpo é igual acúmulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética e potencial’.

Significando que a energia pode ser transformada de uma forma em outra. Ou seja, é a interpretação matemática para conservação de energia mecânica.

Quando o trabalho promove a expansão ou compressão de um determinado volume temos que:

Se o trabalho for realizado pelo sistema sobre a vizinhança, este trabalho é positivo (seta saindo do sistema). Se for realizado sobre o sistema pela vizinhança, o trabalho será negativo (seta entrando no sistema).

O trabalho líquido realizado por (ou sobre) um sistema adiabático (não há troca de calor entre o sistema e o meio) não depende do processo, mas somente dos estados inicial e final. Assim, pode-se dizer que está ocorrendo a variação de alguma propriedade do sistema. Essa propriedade recebe o nome de Energia e sua variação entre dois estados é definida por:

Muitos processos envolvem taxa de realização de trabalho = potência.

O príncipio de conservação (de energia e de massa) conduzem o modelamento matemático para sistemas fechados e, a partir dessas equações, pode-se adaptar aproximações para calculos em turbinas, bombas e compressores, por exemplo. No entanto, estes dispositivos são mais convenientemente tratados sob a análise de Volume de Controle.

Variação da energia pode ser descrita como um Balanço de Energia para Sistemas Fechados, onde:

O balanço de energia para um sistema que percorre um ciclo Termodinâmico tem a seguinte forma:

F r i o

Q u e n t e

Q e

Q s

W c

Eficiência térmica

Em ciclos de potência reais a eficiência nunca é 1.

F r i o

Q u e n t e

Q s

Q e

W c

Coeficiente de desempenho para refrigeração:

Coeficiente de desempenho de bomba de calor: