aula-termodinamica-2008 voltado para engenharia

Aula de termodinâmica

1. 1ª e 21ª e 2
aa
Leis Leis
da da
TermodinamicaTermodinamica

2. Termodinâmica é a ciência
que trata
• do calor e do trabalho
• das características dos sistemas e
• das propriedades dos fluidos termodinâmicos

3. Sadi Carnot
1796 - 1832
James Joule
1818 - 1889
Rudolf Clausius
1822 - 1888
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Emile Claupeyron
1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores
que construiram a termodinâmica

4. Nasceu em
Salford - Inglaterra
James P. Joule
(1818-1889)
Contribuição de James Joule.
1839Experimentos:
trabalho mecânico, eletricidade e calor.
1840Efeito Joule : Pot = RI
2
1843Equivalente mecânico do calor
( 1 cal = 4,18 J)
1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo
da temperatura de um gás em função
da expansão sem realização de
trabalho externo.
As contribuições de Joule e outros levaram
ao surgimento de uma nova disciplina:
a Termodinâmica
Lei da
Conservação
de
Energia
1
a
Lei
da
Termodinâmica

5. Para entender melhor a
1
a
Lei de Termodinâmica
é preciso compreender as características dos
sistemas termodinâmicos e os caminhos
“percorridos” pelo calor...

6. Certa massa delimitada por
uma fronteira.
Vizinhança do sistema.
O que fica fora da
fronteira
Sistema fechado
Sistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Sistema Aberto
Sistema que não troca massa com a
vizinhança, mas permite passagem
de calor e trabalho por sua fronteira.
Sistema Termodinâmico

7. Transformação
P1
V
1
T1
U1
P2
V
2
T2
U2
Estado 1 Estado 2Transformação
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado

8. “Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
Processos
P1
V
1
T1
U1
P2
V
2
T
2
U2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

9. Transformações
1
a
Lei da Termodinâmica
ΔU = U
2 – U1
Variação Energia Interna
W > 0 → sistema realiza trabalho
W < 0 → sistema sofre trabalho
Q > 0 → sistema recebe calor
Q < 0 → sistema perde calor
1
a
Lei
Q = W + ΔU
Sistema Fechado

10. Q = W + ∆U
Gás
Expansão nula
W = 0
Δ U = Q
ΔU depende apenas
de ΔT.
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 0 → ΔU < 0
Como U é uma
variável de
estado, ΔU não
depende do
processo.
Variação da Energia Interna
A energia interna de um gás é função apenas
da temperatura absoluta T.

11. O calor Q que passa pelas fronteiras
do sistema depende do processo.

12. ∆V = V
2 -V
1
∆U = Q - W
W
depende de
como a pressão
e volume mudam
no processo.
W = F.d
F = Pr.S
W = Pr.S.d
W = Pr.ΔV
.
O trabalho que
atravessa a fronteira
depende do processo?

13. P1V1 = nRT1
Estado 1
n
o
de moles
Constante dos gases
R
  = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K
Diagramas P x V
Gases ideais
1P1
V1
T1
Como as variáveis
de estado se
relacionam?
Equação de estado

14. 1ª Lei da Termodinâmica
W = 0
Q = m  C
V  (T
2-
T
1)
Calor específico
a volume constante
U = Q
∆V = 0
Transformação de 1 → 2
Volume invariável
Isovolumétrica
Processo isovolumétrico
Transformação a volume constante
Q = W + U

15. Q =
 
 
+ m C
P
(T
B
- T
A
)
calor específico
a pressão constante
W = P
o
 [V
B
-V
A
]
1ª Lei da Termodinâmica
Q = W + U
Transformação a pressão constante
Processo isobárico

16. Êmbolo movimentado
lentamente
∆U = 0 → ∆T=0
Transformação à temperatura constante
 Q = W
Q = W + 0
Processo Isotérmico

17. Movimento rápido do êmbolo.
Q = 0
W = -
 
∆U
Primeira Lei da Termodinâmica
Q = W + ∆U
Q = 0 → ∆U= - W
Compressão adiabática
Trabalho transforma-se em calor
Q = 0
O processo ocorre tão
rapidamente que o
sistema não troca calor
com o exterior.
W
Área sob o grafico
Processo adiabático
Transformação sem troca de calor

18. 3.- Wciclo = W = área 12341
W
ciclo
> 0 → Q
ciclo
 0
O sentido do ciclo no diagrama PV :
  horário.
O sistema recebe Q e entrega W
1
a
Lei da Termodinâmica
Q
ciclo = W
ciclo + ∆U
ciclo
Q
ciclo
=
  W
ciclo
1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2.- Q
ciclo = Q
Processos cíclicos

19. “Trabalham” em ciclos.
Máquinas Térmicas

20. Fonte quente
Fonte fria
Trabalho
Ciclo
De onde a
máquina retira
calor QHot.
Para onde a
máquina rejeita
calor QCold
A máquina de Denis Papin
1647 - 1712

21. Em cada ciclo
W = Q
1
-Q
2
Eficiência = W/Q
1
= (Q
1
-Q
2
)/Q
1
ε = [1 – Q
2
/Q
1
]
∆U = 0
Eficiência térmica: 1ªLei

22. Refrigerador
12: compressão adiabática em um compressor
23: processo de rejeição de calor a pressão constante
34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão)
41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador
Ciclo Refrigerador

23. Qual o limite da eficiência
de uma máquina térmica ?
ε = [1 – Q
2/Q
1]
Q1 → 0
ε → 1
É possível construir esta
máquina?
ε → 100%

24. A eficiência da Máquina de Carnot
No ciclo:
∆U=0
 
→ W = Q
1
- Q
2
ε = W/Q
1 = [Q
1-Q
2]/Q
1 
=  1 -  Q
2/Q
1
 

Q
2/Q
1 = T
2/T
1
ε =
  (1 -  Q
2/Q
1) = (1 - T
2/T
1)
ε = 1 - T
2
/T
1
Princípio de Carnot
"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode
ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"
BC e DA = adiabáticas
Ciclo reversível
A máquina ideal de Carnot