Marcelino termodinâmica

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Trabalho que apresenta conceitos básicos de termodinâmica.

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  • 1. CURSO:CURSO: TÉCNICO DE NÍVEL MÉDIOTÉCNICO DE NÍVEL MÉDIO SUBSEQUENCIAL EM MECÂNICASUBSEQUENCIAL EM MECÂNICA DISCIPLINA:DISCIPLINA: MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICAS ASSUNTO:ASSUNTO: TERMODINÂMICA
  • 2. CONTEÚDO • Conceitos Básicos da Física; • Transmissão de Calor; • Termodinâmica do Vapor;
  • 3. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA    FORÇA (F) – Energia necessária para causar uma  aceleração (a) a um corpo de massa (m): F = m . a   →  Unidade: Kgf   PRESSÃO (P) – Força (F) que atua sobre a unidade  de superfície (A) de um corpo: P = F ÷ A  →   Unidade: Kgf/cm² ;   donde:  F = P x A
  • 4. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA   VOLUME ESPECÍFICO (v) – Volume ocupado por  um corpo com determinada massa (m). Unidade:  m3 /Kg.      TRABALHO (W) – Ação de uma força (F) que agindo  sobre um corpo, desloca-o de uma posição d1 para  outra d2: ∆d = d2 - d1 W = F x ∆d x Cos ϕ W = P x A x ∆d W = P x ∆V Unidade: Kgf.m
  • 5. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA TRANSMISSÃO DE CALOR CALOR – Forma  transiente de energia, transmitida  de um corpo quente a um corpo frio.    ENERGIA – Capacidade de produzir trabalho, através  de um sistema. As transformações físicas quase sempre são  acompanhadas de variações energéticas.
  • 6. PROPAGAÇÃO DO CALOR - Transferência de calor,  que está relacionada c/ o movimento dos átomos. PRINCÍPIOS DA TRANSMISSÃO DE CALOR: 1 - Átomos se movem mais lentamente em baixas temperaturas e mais rapidamente em altas temperaturas. 2 – Calor se desloca sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio.
  • 7. SENTIDO DO FLUXO DE CALOR
  • 8. B A QUAL É O SENTIDO DO FLUXO DE
  • 9. QUAL É O SENTIDO DO FLUXO DE B A
  • 10. TRANSMISSÃO DE CALOR FORMAS DE PROPAGAÇÃO DE CALOR MAIS CONHECIDAS:   a) CONDUÇÃO; b) CONVECÇÃO; c) RADIAÇÃO.
  • 11. a) CONDUÇÃO – Fluxo de calor de uma partícula a  outra sem que as mesmas tenham que mudar de  posição.
  • 12. b) CONVECÇÃO - Fluxo de calor para um fluido em  movimento, devido à diferença de pesos específicos  entre as moléculas deste mesmo fluido.
  • 13. IRRADIAÇÃO – Fluxo de calor por meio de ondas eletromagnéticas, (ondas de calor ou calor radiante) 
  • 14. IRRADIAÇÃO - Processo mais importante de  propagação de calor, pois através dele o calor do Sol  chega até a Terra, sem o qual não haveria vida na  Terra. A irradiação ocorre também no vácuo.
  • 15. ABSORÇÃO E REFLEXÃO          A irradiação térmica ao incidir em um corpo tem uma  parte absorvida e outra refletida pelo corpo.  Corpos Escuros Absorvem a maior parte da  irradiação que incide sobre eles.  Por isso um Corpo Preto, quando colocado ao Sol,  tem sua temperatura sensivelmente elevada. Corpos Claros Refletem quase totalmente a  radiação térmica incidente.  Por isso absorvem pouco calor. 
  • 16. TRANSMISSÃO DE CALOR MEDIDA DO CALOR - Por Quantidade ou Intensidade.   QUANTIDADE DE CALOR (Q) – Medida do calor capaz  de alterar a entalpia (h) de uma substância de massa (m),  cujos efeitos físicos observáveis são: Variação de Pressão (Compressão e Expansão). Variação de Temperatura (Aquecimento e Resfriamento). Variação de Volume (Trabalho Interno e Externo). Mudança de Estado (Ebulição e Condensação).   CALOR ESPECÍFICO (c) – Quantidade de calor capaz de  variar de 1ºC a temperatura de uma substância de massa  (m): c = Qs ÷ m x ∆t  Unidade:  Kcal/Kg.°C
  • 17. TRANSMISSÃO DE CALOR CALOR SENSÍVEL (Qs) – Quantidade de calor capaz de variar a temperatura de uma substância de massa (m) de t1 a t2, que tenha um calor específico (c) constante, sem alterar o seu estado físico: Qs = m x c x ∆t → Unidade.: kcal CALOR LATENTE (QL) – Quantidade de calor capaz de mudar o estado físico de uma substância de massa (m) isotermicamente : QL = m x r → Unidade: kcal r ≅ 539,6 kcal/kg → Calor latente de evaporação da água à pressão atmosférica. CALOR TOTAL: CT = Qs + QL
  • 18. TRANSMISSÃO DE CALOR INTENSIDADE DE CALOR – Velocidade com que o calor pode ser absorvido ou fornecido por um corpo, cujo valor é a temperatura. TEMPERATURA – Intensidade de calor que um corpo possui em °C, medida com um termômetro. ESCALAS TERMOMÉTRICAS: °C = °K – 273; °C = (°F – 32) ÷ 1,8
  • 19. TERMODINÂMICA - Estudo das relações entre as quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados num processo físico, envolvendo um corpo ou um sistema de corpos e o resto do universo (meio exterior). Exemplo: Um gás contido num cilindro provido de êmbolo, ao ser aquecido, age com uma força (F) sobre a área (A) do êmbolo, ocasionando uma variação de volume (∆V), devido ao seu deslocamento de uma posição (d1) para outra posição (d2). Assim o sistema (gás) recebe calor (Q1) do meio exterior e a força (F) aplicada ao sistema realiza um trabalho (W) no meio exterior.
  • 20. 1ª LEI da TERMODINÂMICA Trata da conservação da energia: Q1 = W + Q2 Todas as formas de energias são mutuamente conversíveis. A energia de um Sistema Fechado e Isolado permanece constante. ENERGIA INTERNA (U) – Forma de energia armazenada em um sistema material. O seu valor absoluto é indeterminado. O que se calcula é a sua variação (∆U) num sistema, que depende somente das condições iniciais e finais: ∆U = Q – W
  • 21. De Acordo c/ as Fronteiras, os Sistemas Podem Ser: • ABERTOS: Separados do meio exterior por fronteiras fictícias ou permeáveis a matéria. Trocam energia e matéria com o meio ambiente. Exemplo: frascos abertos, células, etc. • FECHADOS: Separados do meio externo por fronteiras diatérmicas, rígidas ou flexíveis. Embora não trocando matéria, efetuam trocas de energia sob a forma de calor ou trabalho com o meio externo. Exemplo: frascos fechados, ferro de passar roupas, etc. • ISOLADOS: Não trocam nem calor, nem energia com o ambiente, encontrando-se separados mediante fronteiras adiabáticas rígidas. Exemplo: Uma garrafa térmica hermeticamente fechada pode ser considerada (com certa aproximação) de um sistema isolado. (Netz, Ortega, 2002).
  • 22. 1ª LEI da TERMODINÂMICA TRABALHO EXTERNO (W): a) O volume do fluido varia isobaricamente, devido à adução de calor Q1: W = P x ∆V b) O volume e a pressão do fluido variam adiabaticamente devido à ∆Q: W = Q1 - Q2
  • 23. 2ª LEI da TERMODINÂMICA - Trata da disponibilidade de calor. Temperatura da fonte quente, superior a dos corpos circunvizinhos, dá a medida da entropia (S) p/ a conversão em trabalho: W = Q1 - Q2 Unidade: kcal/kg;
  • 24. 2ª LEI da TERMODINÂMICA Todo processo natural ou expontâneo é IRREVERSÍVEL. Assim, é impossível uma máquina cíclica converter toda a energia (Q1) que lhe é fornecida, pois grande parte da energia restante é rejeitada sob a forma de calor não aproveitado (Q2), resultando num baixo rendimento térmico. RENDIMENTO TÉRMICO (ηt) Relação entre o trabalho (Wt) realizado por um sistema e a quantidade de calor (Q1) que lhe foi aduzido: ηt = 100% (Wt ÷ Q1)
  • 25. TERMODINÂMICA ENTROPIA (S) Variável de estado que depende de duas das três variáveis termodinâmicas: Pressão (P), Temperatura (T) e Volume (V). Unidade: Kcal/Kg.°K 3 Aplicações Principais da Entropia: 1) Como abcissa em um gráfico do Ciclo de Rankine, no qual a transferência de calor (Q1) é representada por uma área e a temperatura (T) é a ordenada.
  • 26. CICLO de RANKINE T-S
  • 27. APLICAÇÃO DA ENTROPIA 2) Como um índice da disponibilidade de energia térmica para conversão em trabalho: a) Entropia positiva indica Adução de Calor Isobárico (Q1), S3 – S2 > 0. b) Entropia negativa indica Rejeição de Calor Isobárico (Q2), S1 – S4 < 0. c) Entropia zero (S = 0) significa, nem adição, nem rejeição de calor, logo: • Quando S1 = S2 ⇒ S1 – S2 = 0, é um processo de Compressão Adiabática Isoentrópica. • Quando S3 = S4 ⇒ S3 – S4 = 0, é um processo de Expansão Adiabática Isoentrópica.
  • 28. APLICAÇÃO DA ENTROPIA 3) p/ Determinar Conteúdo Específico do Vapor Parte fracionária de vapor saturado seco em cada kg do vapor úmido (mistura vapor + água): X = (S4 – S’4) ÷ (S”4 – S’4) P/ Líquido Saturado P/ Vapor Saturado Seco Conteúdo de Líquido no Vapor Úmido X = 0 X = 1 (1 – X)
  • 29. ENTALPIA (h) - Conteúdo calorífico de um corpo em relação a sua massa: Q = m x c x ∆t/m ⇒ h = cp . t Unidade: kcal/kg Calor Latente de Evaporação ou Condensação: r = h” – h’ Entalpia do vapor saturado seco no final da expansão: h 4 = h’4 + (X.r---4)-
  • 30. Observação: Geralmente a entalpia é dada, em função da pressão ou da temperatura, numa tabela, na qual (’) significa líquido e (”) significa vapor. P/ variar a entalpia de um corpo, cada kg desse corpo deverá receber ou ceder uma certa quantidade de calor, causando-lhe as seguintes transformações termodinâmicas em 4 fases, denominadas de Ciclo de Rankine:
  • 31. TERMODINÂMICA DO VAPOR O VAPOR COMO FLUIDO PROPULSOR Fluido termodinâmico no estado gasoso, sob determinada pressão e temperatura, c/ entalpia (h) capaz de produzir trabalho (W) quando é expandido adiabática e isoentropicamente em uma turbina a vapor.
  • 32. TERMODINÂMICA DO VAPOR  FORMAÇÃO DO VAPOR:  Quando o calor (Q1) é aduzido isobaricamente à  água contida em uma caldeira, a sua temperatura  aumenta até chegar ao Ponto de Saturação, devido  ao Calor Sensível (Qs). A partir daí, devido ao Calor Latente (Lv) começa a  vaporização por Ebulição.  Logo, a pressão e a temperatura permanecem  constantes enquanto houver líquido para ser  transformado em Vapor Saturado.
  • 33. Calor Sensível FORMAÇÃO DO VAPOR Calor Latente
  • 34. VAPOR SATURADO DIAGRAMA TEMPERATURA X ENTALPIA Anteriormente foi visto o diagrama Temperatura x Entropia p/ as transições líquido / vapor saturado e  vapor saturado / vapor superaquecido p/ a água. Os mesmos processos podem ser apresentados num  Diagrama Temperatura x Entalpia.  A figura apresenta o gráfico aproximado p/ a água.  Embora não sejam iguais, os aspectos de ambos os  diagramas guardam alguma semelhança entre si. O parâmetro x é o mesmo visto no referido tópico:  X = massa de vapor saturado / massa total (água + vapor saturado).
  • 35. Esse parâmetro pode ser entendido como um  ÍNDICE DE QUALIDADE DO VAPOR.  Vapor Saturado é um dos meios mais fácil de obter  aquecimento em larga escala.  Facilmente produzido por geradores (caldeiras).  Caldeiras podem ser projetadas p/ usar o combustível  mais conveniente ou o mais disponível.  A distribuição do vapor é simples, usa basicamente  tubulações.  Por esses e outros fatores, é amplamente empregado  na indústria.
  • 36. Caldeira ideal produziria vapor saturado c/ X = 1. Na prática, turbulências e formação de bolhas  provocam o arraste de água.  A presença de água é prejudicial porque reduz a  quantidade de vapor disponível para aquecimento.  Uma instalação típica em bom estado deve produzir  vapor com cerca de 5% de água, ou seja, X ≈ 0,95.
  • 37. Observando o diagrama da figura: Linhas Horizontais indicam pressão constante.  Usa-se uma delas p/ analisar a formação do vapor: Supõe-se que o recipiente onde a água se encontra  está na pressão da linha BCD.  Se a água inicialmente está no ponto A, o  aquecimento eleva sua entalpia até o máximo  possível do líquido p/ aquela pressão (hB − hA). Ponto B marca o início da vaporização, ou seja, é a  temperatura de saturação da água p/ a pressão  considerada.
  • 38. Continuando o fornecimento de calor, a evaporação  tem início e a temperatura se mantém constante até o  ponto C, onde toda a água terá sido transformada em  vapor saturado.  A diferença (hC − hB) é a entalpia de vaporização da  água.  A continuação do aquecimento (CD) resulta em vapor superaquecido. Notar que a expressão Entalpia de Vaporização  equivale ao Calor Latente de Vaporização.  De forma similar, a diferença de entalpia do  aquecimento (hB − hA) equivale ao calor sensível por  unidade de massa.
  • 39. Exemplo de aplicação: AQUECIMENTO DE FLUIDO A figura abaixo dá um exemplo bastante simplificado de aplicação do vapor d'água saturado (aquecimento de um fluido com trocador de calor). Instalações de vapor têm vários outros acessórios que serão estudados em caldeiras. O vapor sai da caldeira com uma pressão p e alimenta uma linha ou ramal principal. Uma válvula redutora diminui a pressão p/ pV e alimenta a serpentina do trocador. Nessa condição, o vapor tem uma temperatura TV e o fluxo de massa é qmV.
  • 40. Ao passar pela serpentina o vapor troca calor com o fluido e se condensa. Um dispositivo na saída, denominado purgador, evita a perda de vapor, permitindo somente a passagem do condensado. Em geral, a água condensada é enviada a um reservatório próprio e retorna à caldeira por bombeamento. No trocador, o fluido que se deseja aquecer entra com uma temperatura TE e sai com TS. A vazão de massa do fluido qmF é a mesma em ambos os lados. Logo qmF é constante.
  • 41. É suposto que o fluido tem um calor específico médio cF entre essas temperaturas. Neste exemplo simples, desprezam-se quaisquer perdas de calor. Portanto, todo o calor cedido pela condensação do vapor é usado para aquecer o fluido.
  • 42. De acordo com o conceito de calor específico, ΔQ = c . M . ΔT. Adaptando para o fluido a aquecer, ΔQ = cF . mF (TS − TE). Onde mF é a massa de fluido aquecida num determinado intervalo de tempo Δt. No mesmo intervalo de tempo, deve circular pela serpentina uma massa de vapor igual a qmV . Δt. Assim, o calor trocado deve ser igual à entalpia de vaporização hfg (que é a mesma da condensação) multiplicada por essa massa (considerado vapor ideal, qualidade X = 1): ΔQ = hfg . qmV . Δt. Igualando com a anterior e mudando Δt de lado, h q = c . (m /Δt) (T − T ).
  • 43. Mas (mF/Δt) é a vazão de massa qmF do fluido. hfg qmV = cF qmF (TS − TE). E a vazão de massa necessária de vapor é: qmV = cF qmF (TS − TE) /hfg #A.1#. Notar que, na equação acima, não aparece a pressão do vapor pV na entrada da serpentina. Mas é um parâmetro fundamental porque a entalpia de vaporização hfg depende dela e também a temperatura TV. A temperatura de saturação depende basicamente
  • 44. Assim, se a Válvula Redutora mantém uma pressão constante na saída, a temperatura do vapor TV ao longo da serpentina é também constante as temperaturas do vapor e do fluido se comportam, de forma aproximada, de acordo com o gráfico na parte inferior direita da figura. A relação direta entre pressão e temperatura é uma das grandes facilidades do uso de vapor saturado para aquecimento. A temperatura pode ser mantida ou variada mediante simples ajuste de pressão.
  • 45. VÁLVULAS REDUTORAS OU REGULADORAS DE PRESSÃO São dispositivos simples e podem ter regulagem manual ou automática, através da expansão de fluido ou outros meios, para manter a temperatura constante, mesmo com variações de demandas no equipamento a aquecer. As propriedades do vapor saturado (temperatura, pressão, entalpias e outras) podem ser obtidas nas conhecidas tabelas de vapor.
  • 46. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR: a) LÍQUIDO SUB­­RESFRIADO Líquido sob uma temperatura inferior à temperatura de saturação correspondente a sua pressão, devido à rejeição de calor (Q2) no Condensador. b) LÍQUIDO SATURADO Líquido que, sob a pressão a que está submetido, mudará para o estado de vapor quando lhe for aduzido calor (Q1) na Caldeira. c) VAPOR SATURADO Vapor formado na Caldeira sob determinada pressão, o qual começará a passar p/ o estado líquido quando dele for retirado calor (Q2).
  • 47. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR: d) VAPOR SUPERAQUECIDO – Vapor que, depois de saturado, recebeu calor adicional fora da caldeira, no Superaquecedor, passando a ter entalpia e temperatua superiores ao estado de saturação, não tendo por isso conteúdo úmido em sua massa. e) VAPOR SUPERSATURADO – Apresenta o volume específico e a temperatura inferiores ao ponto de saturação (precipitação) que corresponde à pressão em que se encontra. De especial importância p/ os projetistas. Só ocorre durante uma expansão rápida, nos últimos estágios de uma Turbina a Vapor de Condensação.
  • 48. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR: f) VAPOR ÚMIDO – Mistura física de líquido com vapor saturado. Ocorre dentro da Caldeira. g) PONTO DE EBULIÇÃO – Temperatura em que a água passa do estado líquido para o estado gasoso de forma rápida, em uma determinada pressão. Exemplo: A água à pressão de 1 kgf/cm² entra em ebulição à temperatura de 99,087°C. h) PRESSÃO CRÍTICA Pressão na qual cessa a vaporização da água, e que corresponde à temperatura crítica e ao volume crítico dessa mesma substância.
  • 49. VELOCIDADES ECONÔMICAS RECOMENDADAS PARA VAPOR NAS TUBULAÇÕES CONDIÇÕES do VAPOR PRESSÃO em (kg/cm2 ) APLICAÇÕES VELOCIDADE RAZOÁVEL RECOMEND. (m/s) Saturado 0 a 1 p/ Fins de Aquecimento (linhas curtas) 20 a 30 Saturado 3,5 e Acima p/ Variados Usos Comuns 30 a 50 Super­ Aquecido 14 a Acima Linhas de Alta Pressão (∅ grandes) 35 a 100
  • 50. Inflamáveis e Combustíveis de Alta Viscosidade Preto Inflamáveis e Combustíveis de Baixa Viscosidade ALUMÍNIO Produtos intermediários ou Pesados CREME Gases não Liquefeitos AMARELO Vácuo COR CINZA CLARO Eletrodutos dos CINZA ESCURO Álcalis — Lixívias TUBOS LILÁS Ácido LARANJA Água - Potável VERDE Vapor Saturado — Materiais p/ Combate a Incêndios VERMELHO Produtos Sob Pressão - Ar Comprimido AZUL Vapor BRANCO Vapor Superaquecido Vermelho­Branco­Vermelho Gasolina Marrom­Vermelho­Marrom Cor p/ os Demais Fluidos - Óleo MARROM
  • 51. BIBLIOGRAFIA BÁSICA: 1 – Manual de Construção de Máquinas – Dubbel – Hemus Livraria Editora Ltda.