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PME 2378 – INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS TÉRMICAS - Alberto Hernandez Neto – Direitos autorais reservados – Proibida a reprodução desse material sem a autorização expressa do autor
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PME 2378 – INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS TÉRMICAS
ALBERTO HERNANDEZ NETO
INTRODUÇÃO E CONCEITOS INICIAIS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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SISTEMAS TÉRMICOS
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Engenharia de sistemastérmicosAnálise direcionada a• Projeto• Operação/Manutenção• Custo• etc.
Mecânica dos Fluidos
• Estática dos fluidos• Conservação de quantidade de
movimento• Equação da energia cinética• Similitude e modelagem
Termodinâmica
• Conservação de massa• Conservação de energia• Segunda Lei da Termodinâmica• Propriedades
Transferência de Calor
• Condução• Convecção• Radiação• Múltiplos modos
SISTEMAS TÉRMICOS
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TERMODINÂMICA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
MECÂNICA DOS FLUIDOS
RESISTÊNCIAS DOS MATERIAIS
MECÂNICA DOS MEIOS CONTÍNUOS
SISTEMAS TÉRMICOS
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CONCEITOS INICIAIS
TERMODINÂMICA CLÁSSICA
TERMODINÂMICA ESTATÍSTICA
VISÃO MACROSCÓPICA
VISÃO MICROSCÓPICA
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CONCEITOS INICIAIS
SISTEMA TERMODINÂMICO
QUANTIDADE DE MASSA ESCOLHIDA PARA ANÁLISE
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CONCEITOS INICIAIS
FORMA E VOLUME PODEM VARIAR
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SISTEMA TERMODINÂMICO
CONCEITOS INICIAIS
VIZINHANÇASISTEMA
TERMODINÂMICO
FRONTEIRA
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CONCEITOS INICIAIS
SISTEMA FECHADO: quantidade fixa de matéria sem transferência de massa com transferência de energia
PANELA DE PRESSÃO
CHAMA
ENERGIA
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CONCEITOS INICIAIS
SISTEMA ISOLADO: quantidade fixa de matéria sem transferência de massa e sem transferência de energia
LÍQUIDO
VAPOR
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CONCEITOS INICIAIS
SISTEMA ABERTO OU VOLUME DE CONTROLE: região definida por uma superfície de controle onde há transferência de massa e de energia
fluxo de massa
fluxo de energia
TRABALHO
TURBINA
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CONCEITOS INICIAIS
Propriedade: característica microscópica de um sistema(massa, volume, energia, pressão, etc.)
Propriedade extensivas: seu valor dependedependedependedepende da dimensão e extensão do sistema e pode variar com o tempo (massa, volume, energia)
Propriedade intensivas: seu valor independeindependeindependeindepende da dimensão e extensão do sistema e pode variar com o tempo (pressão, temperatura, densidade)
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CONCEITOS INICIAIS
Fase: quantidade de matéria homogênea na composição química e estrutura física
LÍQUIDA
Substância pura : uniforme e invariável na composição química
SÓLIDA GASOSA (VAPOR)
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CONCEITOS INICIAIS
EQUILÍBRIO INDIFERENTE
EQUILÍBRIO ESTÁVEL
EQUILÍBRIO METAESTÁVEL
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CONCEITOS INICIAIS
Estado termodinâmico de equilíbrio: sistema isolado sem mudança de propriedades
Pressão (p)
Pressão absoluta (pa)
Pressão relativa/manométrica (pr)= pa - patm
Pressão atmosférica (patm)
F = força [N]A = área [m2]
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CONCEITOS INICIAIS
Volume (V) = Espaço ocupado por uma substância [m3]
Volume específico (v)
V = volume [m3]m = massa [kg]
Massa específica (ρ)
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CONCEITOS INICIAIS
Temperatura (T) = avaliação em função do equilíbrio térmico entre dois corpos
A
B
C
B
l1 l2 Se l1 = l2 → TA = TC
Escalas de Temperatura => Celsius [°C]Fahreheit [°F]Kelvin [K]
Lei Zero da Termodinâmica
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CONCEITOS INICIAIS
Processo: sucessão de mudanças de estado em um sistema
p
início
fim
caminho
Processo quase-estático: sucessão de mudanças de estado com o sistema em equilíbrio termodinâmico
p
1
2 3
ciclo
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CONCEITOS INICIAIS
Processo reversível: processo que pode ser revertido completamente pelo mesmo caminho em processos quase-estáticos
p
1
2
Processo reversível
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CONCEITOS INICIAIS
Equilíbrio de fases
Energia
Água líquida Mistura líquido+vapor
Energia
Vapor
Energia
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CONCEITOS INICIAIS
Evaporação
Sublimação
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CONCEITOS INICIAIS
Substância simples compressível: efeitos de tensão superficial, magnéticos, elétricos, gravitacionais e cinéticos são desprezíveis
O estado de uma substância pura simples compressível é definido por duas propriedades independentes
Propriedades são independentes quando não se pode determinar uma delas por meio do conhecimento da outra
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CONCEITOS INICIAIS
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Região de saturação:
• Pressão e temperatura são dependentes• Necessidade da definição de uma terceira variável• Título de uma mistura líquido vapor (x)
CONCEITOS INICIAIS
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CONCEITOS INICIAIS
Tabela de propriedades: substituição dos diagramas
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Gás ideal ou perfeito
Definição: Gás ideal ou perfeito= equação de estado dada por:
Sendo R=constante universal dos gases (valores tabelados para cada gás)
(base mássica)
(base molar)
M=peso atômico
CONCEITOS INICIAIS
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Definição da região do diagrama: região de saturação
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Definição da região do diagrama: região de saturação
Para T=275 C → Psat = 5945,06 kPaT [°C]
[m3/kg]
275
263,99
5000 kPa
5945,06 kPa
Região de vapor
superaquecido
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios(cont.)
Interpolando entre 263,99 C e 300 C para T=275 C:
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
T [°C]
[m3/kg]
-3,02
-10,0
400 kPa
Não há tabela líquido comprimido
Região de líquido
comprimido
Aproximação:v≈vl(Tsat=-10 C)
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Região de vapor superaquecido
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
(cont.)
v(T=99,62 C)=1,69400 m3/kg
v(T=150 C)=1,93636 m3/kg
T=121,65 C
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Região de saturação
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Estado inicial (1): p=1 MPa; T=400 K; V=1 m3
Modelo: gás perfeito (Rar=0,287 kJ/kg.K)
Equação de estado de gás perfeito
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Estado (2): p=5 MPa; T=177+273=450 K; V=1 m3
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Estado (3): T=300 K; m=38,715 kg; V=1 m3
T [K]
P [MPa]
1
400 450
5
300
1
2
33,33
Processo a volume constante
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Exercício 3. O conjunto cilindro-pistão mostrado na figura contém CO2. Inicialmente, a pressão e a temperatura são iguais a 200 kPa e 290 K e o pistão está imobilizado por um pino. O pistão é construído com material de massa específica igual a 8.000 kg/m3. O conjunto está localizado em um ambiente a 290 K e 101 kPa. O pino é então removido e espera-se até que a temperatura do gás atinja a temperatura ambiente. Qual a nova posição do pistão? O pistão encosta nos esbarros?
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Modelo: Gás perfeito (RCO2 = 0,189 kJ/kg.K)
Estado (1): p= 200 kPa; T=290 K
Equação de estado de gás perfeito:
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Estado (2): T= 290 K; m=m1=2,866x10-3 kg
Processo 1→2: T=constante
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CONCEITOS INICIAIS - Exercícios
Cenário 1: pistão não encosta nos esbarros
Conclusão: pistão encosta nos esbarros
Estado (2): h2= 0,15 mp2=20000/0,15=133,33 kPaT2=290 K