Termodinâmica Aplicada à Agricultura - A3

Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag

Fundamentos da TermodinâmicaTradução da 7ª Edição Americana

Capítulo 4 Trabalho e Calor

TRABALHOTrabalho é definido como uma força agindo ao longo de um deslocamento x, sendo este deslocamento na direção da força.

x

T

Torque (T)Trabalho (W)

TRABALHO

2

1

.dxFW

Trabalho é definido como uma força agindo ao longo de um deslocamento x, sendo este deslocamento na direção da força.

TRABALHO REALIZADO POR UM SISTEMA É POSITIVO. W=+100 J

TRABALHO RECEBIDO POR UM SISTEMA É NEGATIVO. W= -100 J.

TRABALHOTrabalho é uma forma de energia em trânsito, isto é, energia sendo transferida através de uma fronteira de um sistema.


TRABALHO

TRABALHO/POTÊNCIA

tWW

dTdrFdxFW ....

..... T

dtdrFVF

dtdxF

tWW

Quando a FRONTEIRA de um sistema se move, ocorre TRABALHO durante um processo quase

estático (quase-equilíbrio).

TRABALHO

dLAPW ..

dVPW .

Na área a-1-2-b-a, o volume diminuiu e a área a-1-2-a-b representa o trabalho recebido pelo sistema, porque o

processo ocorreu do estado 1 para o 2. Se o processo tivesse ocorrido do estado 2 para o 1, a área representaria o trabalho realizado pelo

sistema.

TRABALHO

2

1

2

1

.dVPWW

TRABALHO

É possível ir do estado 1 para o estado 2 por diferentes caminhos;

A área de baixo da curva representa o trabalho realizado, portanto o trabalho depende do caminho que se percorre para ir do processo 1 ao 2.

Assim o trabalho é considerado como uma função de linha.

2

1

2

1

.dVPWW

TRABALHO & PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS

Propriedades termodinâmicasFUNÇÃO DE PONTO

TrabalhoFUNÇÃO DE LINHA

Para um dado ponto no diagrama o ESTADO ESTÁ FIXADO.

DIFERENCIAIS EXATAS Integração Simples.

1

2

12 VVdV

O trabalho realizado em um processo quase-estático depende do CAMINHO PERCORRIDO entre os estados.

DIFERENCIAIS INEXATAS Integração Simples.

WA

W,21

2

1

O trabalho realizado durante a mudança de estado 1 para 2 através do caminho A.

TRABALHOEm relação a integração da função linha existem duas classes de problemas:

A relação P e V é dada em termos de dados experimentaisDetermina-se o trabalho por integração numérica;

A relação P e V é uma relação analíticaIntegração direta.Relação analítica Processo POLITRÓPICO:

.. constVP n nnn VPVPconstVP 2211 ...

n

n

n

n

n VVP

VVP

VconstP 2211 ..

2

1

12

1

2

1

2

1 1...

nVconst

VdVconstdV

VconstdVPW

n

nn

nVconstVconstVV

nconstdVP

nnnn

1..).(

1.

11

121

112

2

1

nVVPVVPdVP

nnnn

1)..()..(.

1111

1222

2

1

nVPVPdVP

1).().(. 1122

2

1

TRABALHO

Relação analítica Quando n=1

22111 .... VPVPconstVP

)ln(.....1

211

2

111

2

1 VVVP

VdVVPdVP

Considerar ou não que a integral corresponde ao trabalho em um dado processo DEPENDE DE

UMA ANÁLISE TERMODINÂMICA do processo.


a)12,0 kJ;b)7,3 kJ;

c) 6,41 kJ;d) Nulo, porque não houve variação de volume ( o pino absorveu toda

energia!).

EXEMPLO 4.1


Trabalho = área do trapézio

EXEMPLO 4.2


P=600 kPa;W=12,7 kJ.

EXEMPLO 4.3


P=3,169 kPa;W=17,7 kJ.

EXEMPLO 4.4


EXEMPLO 4.5

).(. 12

2

112

VVPdVPW extext

OUTRAS FORMAS DE REALIZAÇÃO DE TRABALHO

2

112

.dLW

2

112

.dZW

2

112

.dAW

τ

dL

dA

ς

ε

dZ

O TRABALHO é dado pela integral do produto de uma PROPRIEDADE INTENSIVA pela variação de uma PROPRIEDADE EXTENSIVA


Se a fronteira do sistema for o recipiente, não há trabalho, pois não houve energia sendo transferida pela fronteira do sistema;

Se a fronteira do sistema for a região aonde o gás está confinado pela membrana, também não há trabalho, pois ao se romper a membrana não houve

resistência para o gás ocupar o recipiente.

IDENTIFICAÇÃO SE HÁ OU NÃO TRABALHO


IDENTIFICAÇÃO SE HÁ OU NÃO TRABALHO

Na Figura a) existe trabalho, pois o eixo gira com uma rotação e torque definidos que ultrapassa a fronteira do sistema.

Na Figura b) não existe trabalho, pois o eixo, polia e peso estão dentro do sistema.

CALORCALOR é definido como sendo a forma de transferência da energia através da fronteira de um sistema em uma dada temperatura a outro sistema que apresenta temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os sistemas.

Somente existe calor se a energia atravessar a fronteira do sistema.

NÃO HÁ CALOR

NENHUM sistema CONTÉM calor.Eles contém ENERGIA!!

Calor somente é identificado na FRONTEIRA do Sistema. E é definido como a transferência de energia.

Calor

CALOR

Unidade de calor é o Joule = Unidade de trabalhoQ=10 J=W

Calor Transferido para o sistema tem sinal POSITIVO (+).

Calor Transferido de um sistema tem sinal NEGATIVO (-)

Q=+10 J

Q=-9 J

W=+1 J

Os processos que não apresentam transferência de calor (Q=0) são denominados ADIABÁTICOS.

CALOR

O calor é uma função de linha. Portanto apresenta uma diferencial inexata.

Ou seja a quantidade de calor transferida por um sistema que sofre uma mudança do estado 1 para o estado 2, DEPENDE DO CAMINHO que o sistema percorre no processo.

QA

Q,21

2

1

O calor transferido durante a mudança de estado 1 para 2 através do caminho A.

dtQQ

Taxa de transferência de calor no tempo unidade=Watts (W)

mQq

Transferência de calor por unidade de massa

As moléculas da matéria apresentam energia translacional, rotacional e vibracional.

FORMAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A energia, nesses modos, pode ser transferida às moléculas vizinhas por meio de interações (colisões e intercâmbios), de modo que as moléculas mais energéticas em média (temperatura mais alta) transferem energia para as moléculas que em média são menos energéticas (temperatura mais baixa).


Esta forma de transferência de calor é denominada de CONDUÇÃO. E aumenta com a diferença de temperatura e com a habilidade da substância para realizar este tipo de transferência de energia.

dxdTAkQ ..Lei de Fourier

k é a condutividade térmica do material; A é a área total de contato e dT/dx é o gradiente térmico.

Outro meio de transferência de energia por calor ocorre quando o meio está escoando e movimenta a substância como um todo. Este escoamento desloca a matéria que apresenta certo nível energético, sobre uma superfície que apresenta uma temperatura diferente da do meio que escoa. O calor é dominado pela maneira como o escoamento traz as duas substâncias em contato.


Esta forma de transferência de calor é denominada de CONVECÇÃO. A convecção depende das propriedades físicas do fluído que escoa, do tipo de escoamento e da geometria.

TAhQ ..Lei de Resfriamento de Newton

h é o coeficiente de convecção do fluído; A é a área total e ΔT é a diferença de temperatura entre as superfícies.

Existe a transferência de energia por calor que se dá através de ondas eletromagnéticas que não necessitam de um meio material para serem conduzidas, mas precisam de um meio material para que ocorra tanto a emissão (geração de ondas eletromagnéticas) com absorção (aquecimento por irradiação). Este tipo de transferência de calor pode ocorrer no vácuo e não requer a presença de matéria.


Esta forma de transferência de calor é denominada de RADIAÇÃO. A radiação depende das características da onda eletromagnética, tais como frequência e comprimento de onda da energia.

Taxa de emissão de um corpo negro

ε é a emissividade do material; σ é a constante de Stefan-Bolstztmann; A é a área da superfície e T é a temperatura da superfície.

4... sTAQ


Taxa no vidro=-1106 W;Taxa para o ambiente externo= 1105 W

EXEMPLO 4.7

COMPARAÇÃO ENTRE CALOR E TRABALHO

O CALOR e o TRABALHO são ambos, fenômenos transitórios. Os SISTEMAS nunca possuem calor ou trabalho, porém qualquer um deles pode atravessar a FRONTEIRA do sistema quando há uma mudança de ESTADO.

Tanto o CALOR como o TRABALHO são fenômenos de FRONTEIRA. Somente são observados na fronteira dos SISTEMAS e representam uma forma de transferência de ENERGIA.

Tanto o CALOR como o TRABALHO são funções de linha e tem diferenciais inexatas.

X


CALOR transferido ao sistema é representado como +Q, por isso ocorrerá um aumento de energia do sistema;

TRABALHO realizado pelo sistema é representado com +W, por isso ocorrerá um decréscimo da energia do sistema.

Quando a corrente elétrica circula através das espiras, a temperatura do gás aumenta.

Considerando a), somente o gás como sistemaCalor é transferido.

Considerando b), o recipiente e aquecedor de resistência como sistemaTrabalho é realizado.


2

112

.dtWW 2

112.dtQQ

tWdtWW médio .

2

112

.

Termodinâmica Aplicada à Agricultura - A3

Engineering

Transcript of Termodinâmica Aplicada à Agricultura - A3