09 termodinâmica 2005 campinas primeira
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sistemasaientra EEE ∆=−
• Transferência de energia para Sistema
• Calor Q
• Trabalho W
E = U + KE + PE
SISTEMASISTEMAPrimeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
Sistema Fechado
m=constante
massa NÃO
SIMenergia
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Observe que os sinais do Trabalho são opostos ao do Calor
Convenção de Sinais Convenção de Sinais TRABALHOTRABALHO
W < 0 Trabalho é realizado sobresobre o Sistema (ou VC)
W > 0 Trabalho é realizado pelo Sistema ( ou VC)
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pekeue ∆+∆+∆=∆m
E
m
E
m
E sistemasaientra ∆=−
SISTEMA SISTEMA Primeira Lei da Primeira Lei da TermodinâmicaTermodinâmica
sistemasaientra EEE ∆=−
wqe −=∆
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VOLUME DE CONTROLE VOLUME DE CONTROLE Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
O volume de controle pode experimentar variações de energia nas formas de calor, trabalho e também energias associadas ao fluxo de massa.
Sistema fechado
Volume de controle
Massa entra
Massa sai
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Volume de controleVolume de controle
Bocal Turbina Câmara de mistura
Difusor
Válvula de expansão
Compresssor
Trocador de calor
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Variações nas propriedadesVariações nas propriedades Sistema fechadoSistema fechado
As propriedades são constantes em qualquer ponto do sistema.
Podem variar com o tempo em transitórios.
Volume de controleVolume de controle Propriedades variam com a posição no
volume de controle. A água que entra em um aquecedor tem
propriedades diferentes da água que sai do aquecedor.
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Motor de Combustão Motor de Combustão Interna (CI)Interna (CI)
Combustível entra à T1 e P1
Ar entra à T2 e P2
WsaiQsai
Gases de Exaustão saem a T3 e P3.
1 2
3
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http://www.tva.gov/power/images/coalart.gif
Usina térmica à carvão mineral
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http://www.riverdell.k12.nj.us/staff/molnar/picturechap11.htm
Reator Nuclear à água pressurizada
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Salem Generating Plant - Lower Alloways Creek, NJ
Reator Nuclear à água pressurizada
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Iniciando com um VC bem Iniciando com um VC bem simples simples
C o n t r o l V o l u m e
m c v , E c v
Q W
m 2
m 1
Volume de controle
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Equação da conservação Equação da conservação da massada massa
dt
dmmm cv
21 =−
V.C. NOENTRA
QUEMASSA
DE FLUXO
=
−
V.C. DO SAI
QUEMASSA
DE FLUXO
V.C. DO
DENTROMASSA
DA VARIAÇÃO
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RelembrandoRelembrandoEquação da conservação da energiaEquação da conservação da energia
para um sistemapara um sistema
SISTEMA NO
ENTRA QUE
ENERGIA
DE FLUXO
=
SISTEMA DOENERGIA
DA VARIAÇÃO
DETAXA
−
SISTEMA DO SAI
QUEENERGIA
DE FLUXO
sistemasaientra EEE•••
∆=−
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Relembrando Relembrando para um sistemapara um sistema
• Troca de Energia nas formas de:• Calor Q• Trabalho W
• Energia contida = E, na forma de:• Energia interna U• Energia cinética KE• Energia potencial PE
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pekeue ∆+∆+∆=∆
SISTEMA SISTEMA Primeira Lei da Primeira Lei da TermodinâmicaTermodinâmica
wqe −=∆
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Equação da conservação Equação da conservação da energia para V.C.da energia para V.C.
V.C. NO
ENTRA QUE
ENERGIA
DE FLUXO
=
. V.C. DOENERGIA
DA VARIAÇÃO
DETAXA
−
V.C. DO SAI
QUEENERGIA
DE FLUXO
..cvsaientra EEE•••
∆=−
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Energia para um Energia para um Volume de ControleVolume de Controle
• Troca de Energia nas formas de:• Calor Q• Trabalho W• Fluxo de massa
• Energia contida = E, na forma de:• Energia interna U• Energia cinética KE• Energia potencial PE
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Energia associada ao fluxo de Energia associada ao fluxo de massamassa
ssem=sai que massa à associado Energia de Fluxo
me
ms
mv.c.
Pistão imaginário
eeem=entra que massa à associado Energia de Fluxo
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Trabalho associado ao fluxo Trabalho associado ao fluxo de massa de massa
Trabalho de escoamentoTrabalho de escoamento
V
P
m
ms
mv.c.
Pistão imaginário
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Energias que entram e saem Energias que entram e saem do V.C.do V.C.
V.C. NO SAI QUE
ENERGIA DETAXA
V.C. NOENTRA QUE
ENERGIA DETAXA
eeentra emQ +−= entraW
sssai emQ +−= saiW
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Variação da energia do Variação da energia do Volume de ControleVolume de Controle
V.C. NO
CONTIDA ENERGIA DA
VARIAÇÃO DETAXA
dt
dEcv=
Energia Interna = U ou u
Energia cinética = KE ou Ke
Energia potencial = PE ou Pe
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FLUXO DE CALORFLUXO DE CALOR
Fluxo líquido de calor para o V.C.
saiQ−líquidoQ entraQ=
Por simplicidade sempre estaremos tratando do fluxo líquido de calor para o V.C.
Q líquidoQ=
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TRABALHO PARA O V.C.TRABALHO PARA O V.C.Trabalho de
fronteira
Fronteira se move
Trabalho elétrico
Trabalho de eixo Weixo
Trabalho de escoamento
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Trabalho para o V.C.Trabalho para o V.C.
Trabalho de fronteira, eixo, elétrico e outros.
saientra WWW −=
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Primeira lei da Primeira lei da Termodinâmica Termodinâmica
para V.C.para V.C.
2211cv ememW-Q
dt
dE −+=
sseecv ememW-Q
dt
dE −+=
Ou se tivermos apenas uma entrada (1) e uma saida (2)
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Significado de cada termoSignificado de cada termo
++−
+++−= s
ssse
eee
cv gzumgzumWQdt
dE
22
22 VV
Taxa de variação da energia do V.C.
Taxas líquidas de calor e trabalho
Taxa de entrada de energia no V.C. associada à massa que entra
Taxa de saida de energia do V.C. associada à massa que sai
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Formas de exprimir a Primeira Formas de exprimir a Primeira Lei da TermodinâmicaLei da Termodinâmica
++−
+++−= s
ssse
eee
cv gzumgzumWQdt
dE
22
22 VV
Forma não muito adequada porque no termo de trabalho está incluido o trabalho de escoamento e deveria ser calculado sempre.
Vamos ver que há um modo mais simples de fazer isso.
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Desmembrando os Desmembrando os termos do trabalhotermos do trabalho
• No termo trabalho devem estar incluidas todas as forma de trabalho.
• Formas mais usuais.• Trabalho de eixo
– eixo acionado pelas pás de uma turbina ou por um motor elétrico ou outro meio.
• Trabalho elétrico– resistência elétrica
• Trabalho de escoamento de material– (usualmente fluido) para dentro e para fora do
V.C.
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Desmembrando os Desmembrando os termos do trabalhotermos do trabalho
• No termo trabalho devem estar incluidas todas as forma de trabalho.
• Formas menos usuais• Trabalho devidos a campos magnéticos.• Trabalho relacionado a tensão superficial.• Trabalho de fronteira
– (nos V.C. em geral esse trabalho é nulo – pois a fronteira é usualmente fixa)
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Agrupando os termos do Agrupando os termos do trabalhotrabalho
• Vamos agrupar o trabalho em dois termos.
• Trabalho líquido de eixo Weixo ou apenas W– Inclui todos os trabalho menos o de
escoamento.• Trabalho de escoamento Wfluxo
– Trabalho associado aos fluxos de massa que entram e que saem do V.C.
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A equação da energia fica A equação da energia fica assimassim
sseefluxoeixocv ememWWQ
dt
dE −+−−=
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Trabalho associado ao fluxo Trabalho associado ao fluxo de massa de massa
Trabalho de escoamentoTrabalho de escoamento
V
P
m
ms
mv.c.
Pistão imaginário
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Explicitando os trabalhos de Explicitando os trabalhos de escoamentoescoamento
sfluxoefluxoeixo WWWW ,, +−=
Negativo porque o trabalho está sendo realizado sobre o V.C. pelo fluxo de massa que está entrando.
Positivo porque o trabalho está sendo feito pelo V.C. para propiciar a saida da massa (fluxo de saida)
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TRABALHO TRABALHO RelembrandoRelembrando
s dF W ⋅∫=Obserque que F e ds são vetores….
Trabalho é definido em termos de força e deslocamento
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Trabalho associado ao fluxo Trabalho associado ao fluxo de massa de massa
Trabalho de escoamentoTrabalho de escoamento
Vel
P
m
ms
mv.c.
Pistão imaginário
dx
![Page 36: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/36.jpg)
Trabalho de FluxoTrabalho de Fluxo
Tomando uma pequena quantidade de massa que entra no V.C. (poderia ser a que sai)
elVPA==dt
Fdx =
dt
W Wfluxoδ
A taxa de realização de trabalho através dessa área é:
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Trabalho de FluxoTrabalho de Fluxo Conservação da massa: A
m
A
m v==
ρelV
Resulta em: vv
Pm = A
mPA Wfluxo
=
Podemos ver que Wfluxo é uma “propriedade.” Assim, o trabalho de fluxo pode ser tratado como parte da energia do fluido que está em fluxo.
elVPA==dt
Fdx =
dt
W WfluxoδTrabalho de
Fluxo
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Trabalho de fluxo para Trabalho de fluxo para um V.C.um V.C.
se vv sseefluxo PmPm =W +−
Genericamente
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EquaçõesEquações
++−
+++−= s
ssse
eee
cv gzumgzumWQdt
dE
22
22 VV
( ) ( )eeessseixo vPmvPmWW −+=
EnergiaEnergia
Trabalho de eixoTrabalho de eixo
se vv sseefluxo PmPm =W +−
Trabalho de fluxoTrabalho de fluxo
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Equação da EnergiaEquação da Energia
( ) P+emWQ eeeeeixo v +−
( )dt
dE P+em cv
ssss =− v
gz2
ue2
++= V
![Page 41: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/41.jpg)
Primeira Lei da Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.Termodinâmica para V.C.
gz2
P+umWQ e2
eeeeeeixo
+++−
Vv
dt
dE gz
2P+um cv
s2
sssss =
++−
Vv
EntalpiavP+uh=
![Page 42: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/42.jpg)
Em termos de entalpia a Em termos de entalpia a primeira lei fica:primeira lei fica:
gz2
hmWQ e2
eeeeixo
+++−
V
dt
dE gz
2+hm cv
s2
sss =
+−
V
![Page 43: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/43.jpg)
Fluxos em Regime Permanente e Fluxos em Regime Permanente e em Regime Transitórioem Regime Transitório• REGIME PERMANENTE
– O escoamento do fluido através do V.C. é estável, não experimenta nenhuma mudança com o tempo numa dada posição.
– A massa e o conteudo de energia do V.C. permanece constante durante o processo.
• REGIME TRANSITÓRIO– O escoamento varia com o tempo e com a posição
no V.C. – A massa e a energia do V.C. pode aumentar ou
diminuir com o tempo.
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As propriedades Extensivas e Intensivas permanecem constantes com o tempo dentro do V.C.
•Podem no entanto variar com a posição dentro do V.C.
Regime PermanenteRegime PermanenteCaracterizaçãoCaracterização
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Regime PermanenteRegime PermanenteHipótesesHipóteses
• Dimensões do V.C. constantes.� ∆VCV=0
• O trabalho PdV é nulo
• Com a densidade constante, a massa do V.C. (mvc)e a energia do V.C. (Evc) são também constantes,
0dt
dEcv =0dt
dmcv =
0dt
dVvc =
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• Assumindo que o processo está em regime permanente (RP),
• Portanto
• Para uma entrada e uma saida
Conservação da massaConservação da massa
dt
dmmm vc
se =−
0
21 mm =
se mm =
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• Havendo n entradas e m saidas:
Conservação da massaConservação da massa
∑∑==
=m
1j
sj
n
1i
ei mm
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Exemplo: Compressor de arExemplo: Compressor de ar
• Regime permanente
• Uma entrada• Uma saida
21
21
VV
mm
≠
=
Observar que o fluxo em massa se conserva, mas em vazão não
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Exemplo: Turbina a vaporExemplo: Turbina a vapor
MW 5 =•sW
Superfície de controle
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Bombeamento de água de um poçoBombeamento de água de um poçoem Regime Permanenteem Regime Permanente
.
Superfície de controle
eW•
Água
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Aquecedor de água em Aquecedor de água em operaçãooperação
Regime PermanenteRegime Permanente
Dreno
Tubo reentrante
Resistência Inferior
Resistência Superior
Termostato Inferior
Termostato Superior
Saída de água quente
Entrada água friaAnodo
Válvula de segurança
Superfície de controle
V.C.
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Aquecedor de água em Aquecedor de água em operaçãooperação
Regime PermanenteRegime Permanente
. .
.
.
.
Saída água quente
1
2
Entradaágua fria
Resistência elétrica
Perda de calor
V.C.
Tanque de água quente
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EquaçõesEquaçõesRegime PermanenteRegime Permanente
Uma entrada e uma saidaUma entrada e uma saida
Conservação da massa:
mmm == 21
Conservação da energia
(equação geral)
0 gz2
hm -gz2
hmWQ 2
22
21
21
1shaft =
++
+++− VV
![Page 54: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/54.jpg)
Simplificando a equação da Simplificando a equação da energiaenergia
m
=Calor transferido por
unidade de massa
m
Ww eixo
eixo
=Trabalho de eixo por
unidade de massa
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Equação da Energia RP Equação da Energia RP por unidade de massapor unidade de massa
( ) )z-g(z22
hhwq es
2e
2s
eseixo +
−+−=− VV
( ) )z-g(z22
hhwq 12
21
22
12eixo +
−+−=− VV
Para uma entrada e uma saida
Forma geral
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RevisãoRevisão
Equação da energia para um sistema fechado
pekehwq eixo ∆+∆+∆=−
pekeu ∆+∆+∆=− wq
Equação da energia para um volume de controle
![Page 57: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/57.jpg)
Observar algumas Observar algumas diferençasdiferenças
SISTEMA • variação de energia interna • As variações de energia cinética e
potencial são para o sistema como um todo
VOLUME DE CONTROLE • variação de entalpia•As variações de energia cinética e potencial estão relacionadas com os fluxos que entram e que saem.
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ExemploExemploVapor entra em uma turbina na pressão de 1000 psia e temperatura de 1000°F e sai como vapor saturado seco à pressão de 2 psia. A velocidade de entrada é de 21.0 pés/s. A área de entrada na turbina é de 1 pé2 e a área de saida é de 140 pés2.
A) Determine o fluxo de massa (lbm/hr)?
B) Qual é a velocidade na saída (pés/s)?
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Resolvendo Problemas
• Passos que podem ajudar você a pensar logicamente.
• Passo 1. Entenda o enunciado do problema.– Escreva o problema em suas próprias palavras.
– Escreva o que está dado.– Escreva o que deverá ser encontrado.
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Entendendo o Entendendo o ProblemaProblema
1
2
Turbine
P1 = 1000 psia
T1 = 1000°F
V1 = 21.0 pés/s
A1=1 pé2
P2 = 2 psia
x2 = 1.0 (vapor saturado seco)
A2=140 pés2
Estado 1 Estado 2
Turbina
Fluxo de massa (lbm/hr Velocidade na saida V2?? ??
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Conservação da massaConservação da massaDados e inferênciasDados e inferências
( ) ( ) 21 AAm VV ρρ ==
dt
dmmm vc
se =−
0
21 mm =
se mmm ==Regime permanente
Uma entrada e uma saida
Propriedades uniformes na entrada e na saida
21
=
=
v
A
v
Am
VV
![Page 62: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/62.jpg)
Obtendo as Obtendo as propriedades propriedades
(Tabelas ou programas)(Tabelas ou programas)
lbmpév /831.0 31 =
lbmpév /76.173 32 =
![Page 63: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/63.jpg)
Calculando o Fluxo de Calculando o Fluxo de MassaMassa
1v
Am
= V
)3600(831.0
)1(0.21
3
2
hr
s
lbmpé
péspé
m=
hr/lbm,m 97590=
![Page 64: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/64.jpg)
Velocidade de saidaVelocidade de saida
2)v
A(mV=
)3600
(140
)975,90(75.173
2
3
2 s
hr
péhrlbm
lbmpé
A
mv ==
V
spé /4.312 =V
![Page 65: 09 termodinâmica 2005 campinas primeira](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062313/55ab5bd01a28ab6a5d8b4644/html5/thumbnails/65.jpg)
Trabalho em grupoTrabalho em grupo
Água à 80 ºC e 7 MPa entra em um aquecedor tubular de diâmetro constante de 2.0 cm à razão de 0,76 kg/s. A água sai do tubo do aquecedor à 350 ºC com uma velocidade de 102.15 m/s. Determine
(a) a velocidade no tubo de entrada (m/s)
(b) a pressão da água ao sair do aquecedor (MPa).