Disciplina : Termodinâmica Aula 13 Análise da massa e...
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Professor Dr. Evandro Rodrigo Dário
Curso: Engenharia Mecânica
Disciplina: Termodinâmica
Disciplina : Termodinâmica
Aula 13 – Análise da massa e
energia aplicadas a volumes de
controle - Regime Transiente
Curso: Engenharia Mecânica
Prof. Evandro Rodrigo Dário, Dr. Eng.
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Processos que envolvem mudanças no
volume de controle com o tempo são
chamados de processos em regime
transiente.
Quando um processo em regime transiente
é analisado, é importante manter o controle
da quantidade de massa e energia do
volume de controle, bem como as trocas de
energia entre ele e sua vizinhança.
Análise da energia em sistemas em regime transiente
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
Alguns processos transiente mais comuns são:
• Carregamento de reservatórios rígidos a partir de
linhas de abastecimento;
• Descarregando um fluido a partir de um
recipiente pressurizado;
• Funcionamento de uma turbina a gás com ar
comprimido armazenado em um grande
recipiente;
• Pneus ou balões ao serem inflados;
• Cozinhar com uma panela de pressão normal.
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
Ao contrário de processos em regime
permanente, processos transiente começam e
terminam durante algum período de tempo
finito em vez de continuar indefinidamente.
Portanto, lidamos com as mudanças que
ocorrem ao longo de um intervalo de tempo Δt.
Um sistema transiente , em alguns aspectos, é
semelhante a um sistema fechado, exceto que a
massa dentro da fronteira do sistema não
permanece constante durante o processo.
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
Outra diferença entre os sistemas
abertos em regime permanente e
regime transiente é que os sistemas de
regime permanente seu tamanho e
forma não se alteram.
Sistemas em regime transiente, no
entanto, podem envolver fronteiras
móveis e assim realizam trabalho de
fronteira.
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
O balanço de massa para qualquer sistema de sofrer qualquer
processo pode ser expressa como
Para volumes de controle, ela também pode ser expressa mais
explicitamente como
onde
𝒎𝒆𝒏𝒕 − 𝒎𝐬𝐚𝐢 = ∆𝒎𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
O conteúdo energético de um volume de controle muda com o tempo
durante um processo em regime transiente. A magnitude das
mudanças depende
• Da energia transferida na forma de calor e de trabalho através da
fronteira do sistema;
• Da energia transportada para dentro e para fora do volume de
controle pelos fluxos de massa durante o processo.
O balanço energético geral foi dado anteriormente como
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
Processos em regime transiente no geral são difíceis de analisar,
porque as propriedades da massa nas entradas e saídas podem se
alterar durante um processo.
A maioria dos processos em regime transiente podem ser
razoavelmente bem representados por processos de fluxo constante,
o qual envolve a idealização seguinte:
A vazão mássica em qualquer entrada ou saída é uniforme e
constante, e as propriedades do fluido não se alteram com o
tempo, ou posição ao longo da secção transversal de uma entrada ou
de saída.
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
O balanço de energia para um sistema uniforme de fluxo pode ser
expressa de forma explícita como
é a energia de uma corrente de fluido em
qualquer entrada ou saída por unidade de massa.
é a energia do fluido estático no interior do volume
controle por unidade de massa.
onde
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Análise da energia em sistemas em regime transiente
Quando as variações de energia cinética e potencial
associados aos ao volume de controle e aos fluxos
de massa são desprezíveis, o balanço energético
simplifica para
é a entrada líquida de calor
onde
é a saída líquida de trabalho
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Exemplo 1: Carregando um tanque rígido com vapor d´água
Um tanque rígido e isolado, inicialmente vazio, é conectado
por meio de uma válvula a uma linha de alimentação que
transporta vapor de água a 1 MPa e 300 °C. A válvula é
então aberta e o vapor escoa lentamente para o tanque até
que a pressão atinja 1 MPa, quando a válvula é fechada.
Determine a temperatura final do vapor no tanque.
Hipóteses adotadas:
1 Escoamento em regime permanente, as propriedades do vapor que entra no volume de
controle permanecem constantes durante todo o processo.
2 As perdas de calor do sistema são desprezíveis, 𝑸 = 𝟎, sistema isolado termicamente.
3 Variação da energia cinética e potencial da corrente do fluido são desprezíveis, ∆ep ≅ ∆ec ≅ 0
4 O tanque é estacionário e, portanto, a variação das energias cinética e potencial é zero; ou seja,
∆EC = ∆EP = 0 e ∆ESistema = ∆USistema
5 Não existe interação de trabalho, 𝑾 = 𝟎
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Exemplo 2: Descarga de ar aquecido a uma temperatura constante
Um tanque rígido e isolado de 8 m3 contém ar a 600 kPa
e 400K. Uma válvula conectada ao tanque é aberta, e
permite-se que o ar escape até que pressão interna caia
para 200 kPa. A temperatura do ar durante o processo é
mantida constante por um aquecedor elétrico colocado
no tanque. Determine a energia elétrica fornecida ao ar
durante esse processo.
Hipóteses adotadas:
1 Este é um processo em regime transiente
2 As perdas de calor do sistema são desprezíveis, 𝑸 = 𝟎, sistema isolado termicamente.
3 Variação da energia cinética e potencial da corrente do fluido são desprezíveis, ∆ep ≅ ∆ec ≅ 0
4 ar é um gás ideal com calores específicos variáveis
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Problemas propostos:
Capítulo 5:
Çengel, Yunus A. Termodinâmica. – 7. ed.
123; 130; 138; 140; 141; 142; 153.