Termodinâmica aplicada (PDF Available)

Coleção UAB−UFSCar
Tecnologia Sucroalcooleira
Aplicações da Termodinâmica
Mônica L. Aguiar
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Termodinâmica Aplicada
Termodinâmica Aplicada
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Mônica Lopes Aguiar
Caliane Bastos Borba Costa
Termodinâmica Aplicada
2011
© 2011, Mônica Lopes Aguiar e Caliane Bastos Borba Costa
Concepção Pedagógica
Daniel Mill
Supervisão
Douglas Henrique Perez Pino
Equipe de Revisão Linguística
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Clarissa Neves Conti
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Equipe de Ilustração
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SUMÁRIO
Apresentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Unidade 1: Introdução
1.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Um pouco de história. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Conceitos básicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 Dimensões e unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Sistemas termodinâmicos e volume de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Estado e propriedade termodinâmica de substância pura. . . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Processos e ciclos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
23
25
26
1.5 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Unidade 2: Primeira Lei da Termodinâmica
2.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Experiência de Joule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Trabalho, calor e energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2.1 Taxa de transferência de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.2.2 Comparação entre calor e trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.3 Energia total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Enunciado da Primeira Lei: energia interna e entalpia . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.1 A Primeira Lei da Termodinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Energia interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 Entalpia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 A Primeira Lei em termos de fluxos de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 Calores específicos ou capacidade calorífica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8 Equação da continuidade: conservação da massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.9 A Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos . . . . . . . . . . . . 53
2.10Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.11Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Unidade 3: Propriedades volumétricas de fluidos puros
3.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Substâncias puras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1 Comportamento pvT de substâncias puras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Superfícies termodinâmicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Tabelas de propriedades termodinâmicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Estado e propriedades para sistemas bifásicos L-V . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Relação pvT para gás ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
69
69
70
72
3.4 Equação de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.1 Equação do virial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.2 Equações de estado do terceiro grau (cúbicas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5 Comportamento dos líquidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.7 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Unidade 4: A Segunda Lei da Termodinâmica
4.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.1 Máquinas térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Refrigeradores térmicos simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Reversibilidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 O ciclo de Carnot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
95
99
99
4.4 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Unidade 5: Entropia
5.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Desigualdade de Clausius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Entropia como uma propriedade termodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.4.1 O ciclo de Carnot em um diagrama T-s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Mudança de estado na saturação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 Gases ideais e a Segunda Lei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.1 Processo em volume constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.2 Processo em pressão constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.3 Processo em temperatura constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.4 Processos genéricos de p1, v1, T1 a p2, v2, T2. . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.5 Trabalho reversível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.6 Processo reversível adiabático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
121
126
126
127
128
128
130
131
5.5 Trabalho perdido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.6 Princípios de aumento de entropia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.7 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.8 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Unidade 6: Termodinâmica dos processos de escoamento
6.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3 Equações fundamentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
6.3.1 Conservação de massa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Conservação de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3 Balanço de entropia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.4 Bocais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.5 Processos de estrangulamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.6 Turbinas (expansores). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.7 Compressores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.8 Ejetores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
142
142
144
145
145
146
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150
6.4 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Unidade 7: Ciclos termodinâmicos
7.1 Primeiras palavras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2 Problematizando o tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3 Introdução aos ciclos de potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
7.4 O ciclo de Rankine ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.5 O ciclo de refrigeração de Rankine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.6 Dispositivos a gás de único passe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.6.1 Motor a gasolina ideal: o ciclo Otto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2 Motores a diesel ideais: o ciclo Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.3 Comparação entre os motores a gasolina e a diesel. . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.4 Turbina a gás (ciclo Brayton ou Joule) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
168
169
170
7.7 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.8 Estudos complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Referências. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
175
Apresentação
O objetivo deste livro é apresentar um tratamento introdutório da Termodinâmica e, de maneira simples, favorecer a compreensão de suas leis e
aplicações.
A Unidade 1 apresenta as definições básicas e a Unidade 2 traz o desenvolvimento da Primeira Lei aplicada a processos estáticos e em escoamento permanente. A Unidade 3 trata do comportamento dos fluidos em função da pressão, do
volume e da temperatura, possibilitando a aplicação da Primeira Lei a problemas
práticos importantes. As demais unidades analisam a Segunda Lei e algumas de
suas aplicações. Dessa forma, as unidades cobrem os fundamentos da Termodinâmica de substância pura e permitem sua aplicação aos processos de escoamento, de produção de energia e de refrigeração, tópicos de grande importância
para o uso mais eficiente da energia, que se torna cada vez mais escassa.
Embora este livro tenha muitos assuntos em nível introdutório, seu conteúdo
é razoavelmente amplo. Por isso, pode ser usado, mediante uma escolha apropriada de unidade e seções, em cursos de diversos tipos, em níveis menos ou
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