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CURSO DE GRADUAÇÃOENGENHARIA CONTROLE E AUTOMAÇÃO 

6ºA

ROBERTO MOISÉS DA SILVA JUNIOR (RA.: 0900110)FELIPE ARAUJO COURA (RA.: 0808208845)

DANILO MASSUCATTO NOGUEIRA (RA.: 1801244445)

TERMODINÂMICAProfº Marco Maria

ATPS

SOROCABA06/2011

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ÍNDICE

ETAPA 3 .................................................................................PG 3

ETAPA 4..................................................................................PG 8

ETAPA 5..................................................................................PG 13

BIBLIOGRAFIA......................................................................PG 20

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ETAPA 3:

Passo 1:

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia e,

apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a

energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.

Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada

de duas maneiras:

1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se

ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra

 parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for

zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.  

ΔU= Q – t

Sistema: e a parte do universo que estamos observando e estudando. Ex.: pode ser o vaso de

uma reação, pilha eletroquímica, etc.

Vizinhanças: são a parte externa do sistema de onde fazemos as observações e as medidas.

Sistema aberto: Quando a materia pode ser transferida através da fronteira entre o sistema e

as suas vizinhanças.

Sistema Fechado: Quando a matéria não pode passar através das fronteiras.

Sistema isolado: quando não há contato nem térmico nem mecânico com suas vizinhanças.Trabalho(W): propriedade física fundamental da termodinâmica. Há trabalho quando um

corpo e deslocado contra uma forca que se opõe ao deslocamento.

Energia: energia de um sistema e a sua capacidade de realizar trabalho.

Calor(q): transferência de energia que faz o uso do movimento caótico das moléculas.

Fronteira diatérmica: permeável a passagem de energia na forma de calor.

Fronteira adiabática: fronteira que não permite a transferência de energia na forma de calor.

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Processo exotérmico: processo que libera energia na forma de calor.

Processo endotérmico: processo que aborve energia na forma de calor. Calor se relaciona a

Movimento caótico/movimento térmico: A distinção entre trabalho e calor se faz nas

vizinhanças. Trabalho e a transferência de energia que faz o uso do movimento organizado

dos átomos ou moléculas das vizinhanças. O calor e identificado como a transferência de

energia que faz o uso do movimento térmico das partículas nas vizinhanças do sistema.

Energia Interna, (U): e a soma das energias cinética e potencial que compõe o sistema.

Função de Estado: o seu valor depende exclusivamente do estado em que esta o sistema. U e

uma função de estado. Calor de trabalho são maneiras equivalentes de se alterar a energia

interna de um sistema.

Trabalho de expansão: surge quando há uma variação de volume. Obs.: O sinal negativo

informa que qdo o sistema desloca o corpo contra a forca, a energia interna do sistema que

efetua o trabalho diminui. 

Transformação reversível: pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma

variável. (equilíbrio)

Expansão isotérmica reversível: pv=nRT Calorimetria: estudo do calor transferido durante

um processo físico ou químico.

Calorímetro e um dispositivo para medir o calor transferido. 

Capacidade calorífica: a energia interna de uma substancia aumenta quando sua temperatura

se eleva. (propriedade extensiva)

Calor especifico: capacidade calorífica da amostra, dividida pela sua massa, em gramas.

Entalpia: (H) H = U + p.V. Como U, p e V são funções de estado, portanto a entalpiatambém e uma função de estado. Como medir a variação de entalpia? Pode-se medir

calorimetricamente a variação de entalpia acompanhando-se a variação de temperatura de

uma transformação física ou quimica que ocorra a pressão constante. (calorímetro isobárico)

No caso de uma reação de combustão, pode-se usar um calorímetro de chama adiabático,

medindo a variação de temperatura provocada pela combustao de uma substancia em

atmosfera de oxigênio. A maneira mais sofisticada de medir a variação de entalpia e através

de um calorímetro diferencial de varredura (DSC); através da equação pV=nRT.

Termoquímica: e o estudo do calor produzidoou consumido nas reações quimicas

Estado padrão: o estado padrão de uma substancia, numa certa temperatura, e o da

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substancia na sua forma pura sob pressão de 1 bar.

Lei de Hess: a entalpia padrão de uma reação e igual a soma das entalpias padroes das

reações parciais em que a reação possa ser dividida. ∆rH° = somatório da entalpia dos

produtos  –  somatório da entalpia dos reagentes.

constante. 

Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de

um sistema é igual à diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por

ele realizado durante uma transformação.

Aplicando a lei de conservação da energia, temos:

ΔU= Q –  t à Q = ΔU + t 

* Q à Quantidade de calor trocado com o meio:

Q > 0 o sistema recebe calor;

Q < 0 o sistema perde calor.

* ΔU à Variação da energia interna do gás:

ΔU > 0 a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

ΔU < 0 a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

* t Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:

t > 0 o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

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Passo 2:

Temos o seguinte processo:

Um recipiente, com volume de 10 m3, contém 0,02 m3 de água líquida saturada e 3,75 m3 de

água no estado de vapor saturado a pressão de 0,1MPa. Calor é transferido à água até que o

recipiente contenha apenas vapor saturado.

Utilizaremos os conceitos já estudados para calcular o calor transferido nesse processo.

Para isso utilizamos a regra geral:  

 

Nesse caso não temos energia cinética nem energia potencial envolvidas, então podemos

excluir os termos e como não há variação de pressão, também não temos trabalho, logo a

equação fica:  

Simplificando a equação da energia interna em relação à massa e volume específico, temos:

 

Para realização dos cálculos, utilizamos os dados da tabela B.1.2.

 

 

Agora devemos calcular a anergia interna final, para isso calcularemos primeiro o volume

específico final:

 

 

Agora com o auxílio novamente da tabela, através do volume específico encontramos a

energia interna específica e aplicamos na fórmula:  

 

 

Podemos agora aplicar a fórmula que nos fornecerá o calor transferido:

 

 

 

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Passo 3:

Agora temos um novo processo onde, um reservatório rígido, com volume de 120 litros que

contém água a 100ºC e título de 80%. Considerando que o reservatório é então resfriado até  –  

20ºC. Calcularemos também o calor transferido.

 

 

Novamente não temos energia cinética nem energia potencial envolvidas, então podemos

excluir os termos e como não há variação de pressão, também não temos trabalho, logo a

equação fica:  

 

Agora recorremos a tabela B1.1 e obtemos os dados necessários.

 

 

 

 

Agora vamos calcular a massa:

 

 

 

 

 

Então já podemos calcular o calor transferido:

 

 

 

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ETAPA 4:

Passo 1:

Turbina a vapor é a maquina térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia

cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor sob a forma de

energia térmica e de pressão.

A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia de uma corrente

de água, vapor d’água ou gás. O elemento básico da turbina é a roda (rotor), que conta com

paletas, hélices, laminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o

fluido em movimento produza uma força tangencial qe impulsiona a roda, fazendo-a girar.

Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um

compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas

ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial

é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas.

A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários

existentes. Uma série de favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se

destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o

motor de combustão interna, a turbina a gás.

Componentes 

Estator (roda fixa): É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é

transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos

distribuidores

Expansor: É órgão cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No

expansor vapor perda pressão e ganha velocidade.

Palhetas: Estas podem ser móveis na qual são fixadas ao rotor e fixas , as que ficam fixadas

no estator . As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas

moveis seguintes. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator ou em

rebaixos usinados.

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Aplicação 

As turbinas a vapor são partes de um sistema gerador de potência. As instalações de potencia

com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia elétrica ou mecânica e vapor

para processo industrial.

Vantagens da turbina a vapor 

· Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura.

· Alta eficiência

· Alta velocidade de rotação.

· Alta relação potência /tamanho

· Operação suave, quase sem vibração.

· Não há necessidade de lubrificação interna.

· Vapor na saída sem óleo· Pode ser construído com diferentes potências: unidades pequenas (1MW) ou muito grandes

(1200MW).

Desvantagens 

· É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações.

· A turbina a vapor não pode ser feita reversível.· A eficiência de turbinas a vapor simples pequenas é pobre.

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Passo 2:

Agora aplicaremos os conhecimentos adiquiridos para realizar o cálculo de trabalho

específico e potência de uma turbina. Para isso utilizamos o seguinte caso: Uma turbina

hidráulica é alimentada com 5 kg/s de água a 1,2 MPa e 350ºC. A temperatura e a pressão da

água na seção de descarga da turbina são iguais a 20ºC e 100 kPa. Sabendo que a velocidade

na seção de alimentação é igual a 30 m/s e que a velocidade na seção de descarga é pequena.

Para a realização de cálculos relacionados a turbinas, temos a fórmula que segue:

   

 

As entalpias He e hs são obtidas através da tabela e os termos não utilizados são anulados,ficando:

 

 

Vale ressaltar que o termo é dividido por 1000 para igualar as unidades.

   

 

 

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Passo 3:

Turbina a Gás:

As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia de umcombustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência elétrica.

Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão da energia do

combustível a altas temperaturas ( começando com temperaturas da ordem de 1000 o C e

terminando em temperaturas próximas de 500 o C ).

A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão

ainda a altas temperaturas.

Teoricamente, turbinas a gás são extremamente simples. Elas têm três partes:

  Compressor: comprime o ar de admissão por alta pressão;

  Câmara de combustão: queima o combustível e produz gás com alta pressão e alta

velocidade;

  Turbina: extrai energia do gás a alta pressão e alta velocidade vindas da câmara de

combustão.

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O Turboélice (turbopropulsor ou turbo-hélice) é um tipo de turbina a gás. O turboélice é

um motor de reação mista, pois é, basicamente, um motor a jato acionando uma hélice. Entre

o eixo da turbina e a hélice há um redutor de velocidade. A força propulsiva deste motor é

produzida 90% pela hélice e 10% pelos gases de escapamento. Comparando-se o motor

turboélice com o motor a jato puro, nota-se:

  O turboélice é normalmente maior que um motor a jato de tração equivalente, mais

complexo e possui mais partes móveis;

  Fornece maior tração que o jato puro em baixas velocidades consumindo

menos combustível; 

  Nas decolagens, o turboélice acentua sua eficiência em virtude da hélice movimentar

uma grande massa de ar; nos pousos propicia maior força de frenagem pelo

maior arrasto oferecido pelo disco da hélice em passo mínimo ou reverso.

  O motor turboélice é normalmente mais pesado que o turbojato de tração equivalente.

Alguns turboélices são de turbina livre, isto é, têm uma turbina para acionar a hélice e outra,

independente, para acionar o compressor. Um tipo de motor turboélice de turbina livre

consagrado é o turboélice de fluxo reverso Este tipo de motor é bastante compacto e tem seu

funcionamento diferente. O ar é captado pela parte traseira do motor e a saída dos gases de

escapamento é feita na parte dianteira. Um exemplo deste motor é o PT6, que equipa

o Bandeirante. 

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ETAPA 5: 

Passo 2:

Define-se ciclo de Carnot como um processo cíclico reversível que utiliza um gás perfeito, e

que consta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, tal como é mostrado na

figura. 

A representação gráfica do ciclo de Carnot em um diagrama p-V é o seguinte

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Ramo A-B isotérmica a temperatura T 1 

Ramo B-C adiabática

Ramo C-D isotérmica a temperatura T 2 

Ramo D-A adiabática

Em qualquer ciclo, temos que obter a partir dos dados iniciais:

  A pressão, volume de cada um dos vértices.

  O trabalho, o calor e a variação de energia interna em cada um dos processos.

  O trabalho total, o calor absorvido, o calor cedido, e o rendimento do ciclo.

Os dados iniciais são os que figuram na tabela abaixo. A partir destos dados, temos de

preencher os vazios da tabela.

Variáveis  A  B  C  D 

Pressão p (atm)  p A 

Volume v (l) v A  v B 

Temperatura T (K) T 1  T 1  T 2  T 2 

As etapas do ciclo

Para obter as variáveis e grandezas desconhecidas faremos uso das fórmulas que figuram

no quadro-resumo das transformações termodinâmicas. 

1.  Transformação A->B (isotérmica) 

A pressão p B é calculada a partir da equação do gás ideal

Variação de energia interna

Trabalho

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Calor

2.  Transformação B->C (adiabática) 

A equação de estado adiabática é ou então, . Explicitamos vc da

equação da adiabática . Conhecido vc e T 2 obtemos pc, a partir da

equação do gás ideal. .

Calor

Variação de energia interna

Trabalho

3.  Transformação C->D (isotérmica) 

Variação de energia interna

Trabalho

Calor

4.  Transformação D-> A (adiabática) 

Explicitamos v D da equação da adiabática . Conhecido v D e T 2 obtemos p D, a

partir da equação do gás ideal. .

Calor

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Variação de energia interna

Trabalho

O ciclo completo

  Variação de energia interna 

Em um processo cíclico reversível a variação de energia interna é zero

  Trabalho 

Os trabalhos nas transformações adiabáticas são iguais e opostos. A partir das equações das

duas adiabáticas a relação entre os volumes dos vértices é , o que nos conduz a

expressão final para o trabalho.

  Calor 

Na isotérmica T 1 é absorvido calor Q>0 já que v B>v A de modo que

Na isotérmica T 2 é cedido calor Q<0 já que v D<vC  

  Rendimento do ciclo 

Define-se rendimento como o quociente entre o trabalho realizado e o calor absorvido

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Motor e refrigerador

Um motor de Carnot é um dispositivo ideal que descreve um ciclo de Carnot. Trabalha entre

duas fontes, tomando calor Q1 da fonte quente e a temperatura T 1, produzindo um trabalho W ,e cedendo um calor Q2 a fonte fria a temperatura T 2.

Em um motor real, a fonte quente é representado pela caldeira de vapor que adiciona o calor,

o sistema cilindro-êmbolo produz o trabalho, e é cedido calor a fonte fria que é a atmosfera.

A máquina de Carnot também pode funcionar em sentido inverso, denominando-se então

refrigerador. É extraído calor Q2 da fonte fria aplicando um trabalho W , e cede Q1 a fonte

quente.

Em um refrigerador real, o motor conectado a rede elétrica produz um trabalho que é

empregado para extrair um calor da fonte fria (a cavidade do refrigerador) e é cedido calor a

fonte quente, que é a atmosfera.

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Passo 3:

Ciclo Otto:

Este ciclo termodinâmico foi idealizado pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochasem 1862. De forma independente, o engenheiro alemão Nikolaus Otto concebeu coisa similar

em 1876, além de construir um motor que operava com o mesmo, embora não exatamente

igual aos atuais motores.

Motores de ciclo Otto usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás natural. É

desnecessário dizer que a principal aplicação está nos automóveis.

A Figura abaixo dá uma idéia da operação de um cilindro básico de um motor de ciclo Otto:

dispões de 2 válvulas (admissão no lado esquerdo e escape no lado direito) e de um

dispositivo de centelha elétrica para ignição (vela). A mistura de ar e combustível é fornecida

por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção).

Em 01, a válvula de admissão está aberta e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e

combustível. É um processo aproximadamente isobárico.

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Ao atingir a posição mais inferior (ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada e o

movimento ascendente comprime a mistura (12). Esse processo é aproximadamente

adiabático porque a velocidade do pistão é alta, havendo pouco tempo para a troca de calor.

Em 23 o pistão atinge sua posição mais acima (ponto morto superior), quando uma centelha

na vela provoca a ignição da mistura. Ocorre, portanto, um fornecimento de calor pela reação

de combustão. Desde que esta última é bastante rápida, pode-se considerar que o processo

ocorre sob volume constante.

O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura, que se expande, forçando o pistão para

baixo como em 34 da figura. Pela mesma razão de 12, a transformação pode ser suposta

adiabática.

Em 41 o pistão atinge o ponto morto inferior, quando a válvula de escape é aberta, reduzindo

rapidamente a pressão do gás. De forma similar a 23, pode-se supor um processo sob volume

constante, durante o qual o ciclo cede calor ao ambiente.

Em 10 o movimento ascendente com a válvula de escape aberta remove a maior parte dosgases da combustão e o ciclo é reiniciado quando o pistão chega ao ponto morto superior.

Esse é o princípio de operação do motor de 4 tempos. O motor Wankel usa, no lugar do pistão

e cilindro, rotor e câmaras especiais, mas a operação é similar à do motor de 4 tempos.

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BIBLIOGRAFIA

Acessado em 30/05/2011:

http://www.fsc.ufsc.br/~bechtold/Primeira_lei.pdf 

Acessado em 30/05/2011:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_vapor 

Acessado em 30/05/2011:

http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/15cOtto/materiais/saiba_mais.

pdf  

Acessado em 30/05/2011:

http://www.nest.unifei.edu.br/portugues/pags/novidades/cursos/files/folderturbinasa4.pdf