Capítulo 1. Introdução à Termodinâmica Aplicada

Transcrição

1 Capítulo Introdução à Termodinâmica Aplicada

2 Objetivos Na disciplina de Fundamentos da Termodinâmica, você aprendeu inúmeros conceitos físicos importantes. O objetivo da disciplina de Termodinâmica Aplicada é estender esses conceitos, enfocando em problemas envolvendo equipamentos e sistemas de engenharia. Neste capítulo, faremos uma breve revisão de alguns conceitos, já colocando em contexto aspectos aplicados da Termodinâmica.

3 Objetivos A disciplina de Fundamentos da Termodinâmica lhe forneceu um embasamento sólido nos seguintes conceitos: Sistema, Estado, Propriedade, Processo, Ciclo Fase (S, L, G), Saturação, Título Calor, Trabalho, Energia, Entalpia, ª Lei Ciclo de Carnot, Entropia, Irreversibilidade, ª Lei Todos esses conceitos serão amplamente utilizados em Termodinâmica Aplicada (alguns serão estendidos!)

4 .. Sistema SISTEMA e VIZINHANÇA Sistema ISOLADO Sistema FECHADO Sistema ABERTO (VOLUME DE CONTROLE)

5 .. Um Sistema e seus Sub-sistemas

6 .3. Energia A energia total de um sistema é resultado da combinação de diversas formas de energia (variação com relação a um valor de referência) Total Δ E = ΔU Interna + ΔE C + ΔE P Cinética Potencial [kj] Energia INTERNA: Forma MICROSCÓPICA de energia. Combinação de uma parcela sensível (energia cinética molecular), de uma parcela latente (energia de ligação entre moléculas) e e de uma parcela química (energia de ligação entre átomos).

7 .3. Energia (variação com relação a um valor de referência) Total Δ E = ΔU Interna + ΔE C + ΔE P Cinética Potencial [kj] Energias POTENCIAL e CINÉTICA: Formas MACROSCÓPICAS de energia. Referentes ao sistema como um todo, com relação a um referencial externo. Sistema estacionário: ΔE C = ΔE P = 0 E C macro E C molecular!

8 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei ΔE = Q W [kj] Convenção de sinais: CALOR: > 0 quando transferido PARA o sistema < 0 quando transferido DO sistema elétrico, de eixo, de fronteira móvel, elástico... TRABALHO: < 0 quando realizado SOBRE o sistema > 0 quando realizado PELO sistema Q W = ΔU + ΔE C + ΔE P!Q W! = d ( dt U + E + E ) C P [kj] [kw] Çengel Cap. 4 Van Wylen Cap. 5

9 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei Como a massa é fixa: " Q W = m$ u u + V #!Q W! = m d ( u + V * dt ) + gz + -, ( V ) + g z z ( ) % ' & [kj] [kw] Qual é a variação da energia total de um sistema que executa um ciclo?

10 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei Em um ciclo: ΔE = E final E = ( ) inicial() 0 O trabalho líquido realizado é igual à entrada líquida de calor

11 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei (Trabalho) Exemplos de tipos de trabalho ou de trabalho por unidade de tempo (potência) Trabalho (potência) de eixo W W! n n! e e " " = F s = = π nt = π nt! ' % & T $ " r # (kj) ( πr n) (kw) = n o de revoluções = revoluções por segundo

12 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei (Trabalho) Exemplos de tipos de trabalho ou de trabalho por unidade de tempo (potência) W W! e e = = VN VI (kj) (kw) Trabalho (potência) elétrico onde I = dn dt = carga elétrica tempo gerador massa

13 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei (Trabalho) Trabalho elástico Trabalho de fronteira móvel F = kx W = k ( x x ) W = pdv

14 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei O tipo de interação pela fronteira depende de como o sistema é definido Q>0 W=0 Q=0 W<0

15 .4. Sistema Fechado: Primeira Lei O tipo de interação pela fronteira depende de como o sistema é definido Q=0 W=0

16 .5. Sistema Fechado: Segunda Lei dq ΔS = S S = + T f S ger variação transferência com o calor geração Δ Çengel Cap. 7 Van Wylen Cap. 8 Q k S = S S = + Tk S ger k regiões a temperatura constante [kj/k] ds k + S! ger dt Tk =0, se o processo for reversível Q! = [kw/k]

17 .5. Sistema Fechado: Segunda Lei Em um sistema isolado: ΔS = S S 0

18 .6. Conservação da Massa: Volume de Controle Sistema Aberto: Çengel Cap. 5 Δm = m in m out [kg] Van Wylen Cap. 6

19 .6. Conservação da Massa: Volume de Controle Sistema Aberto: Çengel Cap. 5 m! in m! out = m! = ρva dm dt [kg/s] Van Wylen Cap. 6

20 .6. Primeira Lei: Volume de Controle Sistema Aberto: ΔE = Q W + m θ m θ in in out out [kj] Çengel Cap. 5 Van Wylen Cap. 6 energia transportada com a massa que entrou no VC energia transportada com a massa que saiu do VC θ = V u + pv + + gz [kj/kg] trabalho de escoamento Energia necessária para mover uma massa unitária de fluido pela fronteira

21 .6. Primeira Lei: Volume de Controle Trabalho entregue ao fluido (por unidade de massa) para movê-lo para dentro do Volume de Controle F = pa W fluxo = FL = pal = w fluxo = pv pv [N] [kj] [kj/kg] W! = m! [kw] fluxo w fluxo mas: h = u + pv

22 .6. Primeira Lei: Volume de Controle Sistema Aberto: de dt = Q! W! +!m θ!m θ in in out out [kw] θ = V h + + gz [kj/kg] mas: h = u + pv

23 .7. Segunda Lei: Volume de Controle Sistema Aberto: ds dt Q! = k + m! s in in Tk m! out s out + S! entropia gerada no VC ger [kw/k] entropia transportada com o calor que entrou ou saiu do VC entropia transportada com a massa que entrou no VC entropia transportada com a massa que saiu do VC Çengel Cap. 7 Van Wylen Cap. 9

24 .8. Primeira e Segunda Leis: Volume de Controle Em REGIME PERMANENTE:!Q! W =!m =!m out in ( ) d dt = 0!m θ!m out out in θ in 0 =!Q k + T k!m s!m s in in out out +! S ger A maioria dos dispositivos (equipamentos) de engenharia opera, na maior parte do tempo, em regime permanente.

25 .9. Propriedades de Substâncias Puras Revisão de propriedades termodinâmicas

26 .9. Propriedades de Substâncias Puras Superfície p-v-t Substância que se contrai ao se solidificar

27 .9. Propriedades de Substâncias Puras Superfície p-v-t Substância que se expande ao se solidificar

28 .9. Propriedades de Substâncias Puras Projeção p-t Ponto crítico da água: T~374 o C p ~ MPa Ponto triplo da água: T~0.0 o C p ~ 6 Pa

29 .9. Propriedades de Substâncias Puras Ponto crítico R-34a (00.9oC, 4.06 MPa) 3 4

30 .9. Propriedades de Substâncias Puras Projeção p-t (estados da matéria) p p c Sólido( fusão( Líquido( Pto.(crí4co( Fluido( supercrí4co( Pto.(triplo( vaporização( Vapor( Gás( sublimação( T c T

31 .9. Propriedades de Substâncias Puras Projeção p-v

32 Diagrama T-v (substância pura) Para quantificar o desempenho dos dispositivos, é conveniente utilizar diagramas transferindo calor a p constante somente energia atravessa a fronteira do sistema

33 Diagrama p-v (substância pura) comprimindo a T constante somente energia atravessa a fronteira do sistema

34 Título (mássico) de vapor x m m v t = m v m v + m l

35 Vapor d água é gás ideal? Erro percentual p real p p real gasideal

36 Fator de compressibilidade Desvio com relação ao comportamento de gás ideal Z = pv RT p r = p p c T r = T T c

37 Diagrama T-s (a) (b) (c) Linhas de p constante Linhas de v constante Linhas de h constante (hip. gás ideal) transferindo calor a p constante l v v t v m m m m m x + = (título) ( ) l v l u u x u u + = ( ) l v l h h x h h + = ( ) l v l s s x s s + = ( ) l v l v v x v v + = (Na saturação)

38 Diagrama h-s Linhas de p constante Linhas de T constante Linhas de h constante (hip. gás ideal) x m m v t = mv m + m v l (título)

39 Processos isentrópicos

40 Tabelas de Propriedades - Saturação Tabela com entrada em temperatura

41 Tabelas de Propriedades - Saturação Tabela com entrada em temperatura (cont.)

42 Tabelas de Propriedades - Saturação Tabela com entrada em pressão

43 Tabelas de Propriedades Vapor Superaquecido

44 Tabelas de Propriedades Líquido Comprimido Pouco utilizada: A baixa compressibilidade do líquido faz com que as propriedades do líquido comprimido sejam muito próximas daquelas do líquido saturado na temperatura especificada

45 Tabelas de Propriedades Líquido Comprimido E% v = -0.4% E% u = -0.34% E% h =.63% E% s = %

46 .0. Turbinas Turbinas são dispositivos que produzem trabalho à medida que o escoamento de um gás (vapor) ou de um líquido movimenta as pás presas a um eixo Turbina a gás ou a vapor (expansão do fluido de trabalho) Çengel Cap. 5,7 Van Wylen Cap. 6,9 Turbina hidráulica

47 .0.. Turbinas a vapor e a gás IDEAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0! W s =!m h h ( ) s (>0) (h <h ) (o sistema realiza trabalho!)

48 .0.. Turbinas a vapor e a gás REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 >0! W r =!m h h ( ) r W! Quem é maior: ou? r W! s

49 .0.. Turbinas a vapor e a gás REAIS Eficiência Isentrópica η T W! = W! r s = ( h ) h r ( h h ) s

50 .0.3. Turbinas hidráulicas IDEAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0 W! =!mg ( z s z ) (>0) Turbina hidráulica (o sistema realiza trabalho!) por que h = h? h = u + pv

51 .0.3. Turbinas hidráulicas REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 >0 como ( pv ) ~ = ( pv) Turbina hidráulica como u < u W! < W! r W! =!mg ( z r z )!m ( u u ) (>0) s

52 .. Compressores Compressores são dispositivos que consomem trabalho para elevar a pressão de um gás Lóbulos Alternativo Çengel Cap. 5,7 Van Wylen Cap. 6,9 Axial Centrífugo

53 ... Compressores IDEAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz Compressor alternativo!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0! W s =!m h h ( ) s (<0) (o sistema recebe trabalho!) (h >h )

54 ... Compressores REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático Compressor rotativo =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k W! =0 Quem é maior: ou? r >0! W r =!m h h ( ) r W! s

55 ... Compressores REAIS Eficiência Isentrópica η C W! = W! s r = ( h ) h s ( h h ) r

56 .. Bombas. Bombas são dispositivos que consomem trabalho para elevar a pressão de um líquido

57 ... Bombas IDEAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0 mas, em um líquido (sem atrito): h h = u u + ρ (T = T, incompressível) ( p p ) W! m =! ( s ρ p p ) (p >p ) (o sistema recebe trabalho!)

58 ... Bombas REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 como a temperatura aumenta: h h = u u + ρ >0 ( h ) ( ) h r > h h s ( p p ) W! =!m ( h r h ) (p r >p )

59 ... Bombas REAIS Assim como para o compressor: Eficiência Isentrópica η C W! = W! s r = ( h ) h s ( h h ) r

60 .3. Bocais e Difusores Um bocal é um dispositivo que aumenta a velocidade do fluido por meio da redução da pressão Venturi Çengel Cap. 5,7 Van Wylen Cap. 6,9 Um difusor é um dispositivo que aumenta a pressão do fluido por meio de sua desaceleração

61 .3.. Bocais IDEAIS Assumindo dispositivo adiabático ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0 =0 =0

62 .3.. Bocais REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático =0 =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz p T!Q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 >0 p T ( h ) ( ) h r < h h s ( ) ( V V < V V ) r s

63 .3.. Bocais REAIS Se V << V p T Eficiência Isentrópica p T η N = ( h h ), r ( ) h h V r s = V, s

64 .3.3. Difusores IDEAIS Assumindo dispositivo adiabático ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T +! <<V S ger =!ms k =0 =0 =0 =0

65 .3.4. Difusores REAIS Assumindo que o dispositivo é adiabático processo isentropico T s s p s p r =0 =0 ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k p s <<V r processo real =0 >0 p T Como: s r > ss Então: p r < ps (atrito...)

66 .4. Válvulas e Estrangulamentos São dispositivos que restringem o escoamento e causam queda de pressão significativa ρ V A = ρ V A ( =!m )!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz!q k +!m s T + S! ger =!ms k =0 =0 =0 >0 A entalpia na saida é igual à da entrada São essencialmente irreversíveis!

67 .5. Trocadores de Calor Dispositivos utilizados para transferir calor entre fluidos a diferentes temperaturas Em cada corrente: C!Q!m W!!m + h + V + gz = h + V + gz H H =0 Q! Q! C H = m! C = m! H! = ( h h ) Cs ( h h ) Hs Q C Q! H Ce He C Q! T k + ms! + Sger = m! s k!