1
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
JOSÉ GUILHERME COELHO BAETA
Aula Concurso Calor e Fluidos: Substância Pura, Mistura de gases, ar úmido e Combustão
ÁREA: ENGENHARIA MECÂNICA
SUB-ÁREA:CALOR E FLUIDOS
Aula apresentada como parte das exigências do Concurso de Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, publicado no Diário Oficial da União em 01/07/2013 (EDITAL Nº 357).
Belo Horizonte Minas GeraisAula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
2Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Proposta de Ementa para o Curso Termodinâmica (Graduação)
1- Introdução e Conceitos Básicos (Termodinâmica Clássica e Estatística, Calor e Trabalho, Sistemas, Propriedades, Equilíbrio, Ciclos, Lei zero)
2- Transferência de Energia e Análise Geral da Energia (Formas, Transf. Calor, Trabalho, Introdução a primeira Lei da Termodinâmica)
3- Substância Pura (Conceito, Fases, Processos de Mudança de Fase, Diagramas, Tabelas, Gás Ideal, Equações de Estado)
4- Primeira Lei da Termodinâmica
5- Segunda Lei da Termodinâmica
6- Exergia
7- Ciclos de Potência a Gás
8- Ciclos de Potência a Vapor
9- Ciclos de Refrigeração
3Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Proposta de Ementa para o Curso Termodinâmica (Graduação)
10- Relações de Propriedades Termodinâmicas
11- Mistura de Gases (Composição, Fração Molar, Mássica e Volumétrica, Propriedades da Mistura)
12- Mistura de Gases e Vapor (Ar seco, Umidade Específica e Relativa, Temperatura Ponto de Orvalho, Temperaturas de Bulbo Úmido )
13- Combustão (Combustíveis, Processos, Entalpia de Formação e Entalpia de Combustão)
4Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaPlano Aula – 26/09/2013 (Subst. Pura, Mistura de gases, Ar úmido e Combustão)
1-) Substância pura a-) Conceitos de substância pura;b-) Fases e Processos de Mudança de Fase;c-) Diagramas e Tabelas;d-) Gás Ideal e Equações de Estado.
2-) Mistura de gases a-) Mistura de gases ideais;b-) Lei de Dalton (Pressão parcial);c-) Concentrações (molar=volumétrica e mássica);d-) Cálculo de calor específico, entalpia e entropia de misturas de gases ideais.
5Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
3-) Ar Úmido a-) Definições (umidade específica, relativa, temperatura ponto de orvalho, bulbo úmido;b-) Carta psicrométrica para diferentes localidades;
4-) Introdução a Combustão a-) Conceitos;b-) Estequiometria (Razão ar/combustível molar e mássica;c-) Razão de equivalência, fator Lambda.
Plano Aula – 26/09/2013 (Subst. Pura, Mistura de gases, Ar úmido e Combustão)
6Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Revisão (Termodinâmica / História)
Surgimento da Ciência Termodinâmica – (1697-1712) construção de motores a vapor na Inglaterra – Thomas Savery/ Newcomen;
(1850) 1 e 2 Leis da Termodinâmica;
Termodinâmica Clássica – Macroscópica (contínuo)
Termodinâmica Estatística – Microscópica (Grandes grupos de partículas)
Tipos de Energia (Potencial, Cinética, Interna)
Energia Sensível - Associada à cinética das moléculas (Elétrons)
Energia Latente – Associada a mudança de fase da substância
Energia Química – Associada às ligações atômicas de uma molécula
Energia Nuclear – Associada às ligações no interior do núcleo dos átomos
7Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Conceitos de Substância Pura
Mesma composição química em toda a extensão. (Homogênea/Uniforme)
Uma mistura de uma ou mais fases de uma substância é dita pura se a composição química não se alterar em qualquer das fases.
Com mais de um elemento são puras se a mistura for homogênea. (H20, ar, N2,He)
8Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaFases de uma Substância Pura
As fases de uma substância dependem de sua organização molecular que é homogênea em toda fase.
Sólidos possuem ligações intermoleculares fortes com padrão tridimensional que se repete e pequenas distâncias entre moléculas.
Líquidos possuem ligações intermoleculares mais fracas que o sólido e as moléculas podem transladar e girar livremente, contudo as distâncias entre as moléculas não são tão diferentes.
Gases apresentam as ligações intermoleculares mais fracas e são totalmente livres.
9Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaFases de uma Substância Pura
Definindo propriedades para definição de um estado.
v [m3/kg]
T [0C]
1
2 3 4
5
P=c
te
Zona de Saturação ou Latente (Mistura)
Líqu
ido
Com
prim
ido
Vap
or
Sup
eraq
ueci
do
1- Líquido Comprimido – A absorção ou remoção de calor resulta na alteração da temperatura do fluido (fase líquida);
2- Líquido Saturado – Qualquer adição de calor inicia-se a mudança de fase;
P.C.
Liq.
Sat
urad
o
3- Mistura Liq./Vapor – Todo calor fornecido é usado para a mudança de fase (T,P=cte)
4- Vapor Saturado – A última gota de líquido se transformou em vapor e qualquer adição de calor levará a aumento na temperatura;
5- Vapor Superaquecido – A absorção ou remoção de calor resulta em variação da temperatura na fase vapor.
Vap. S
aturado
10Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaFases de uma Substância Pura
Propriedades Extensivas – Dependem da massa (V, H, S, E...)
Propriedades Intensivas – Não dependem da massa (v, h, s, u...)
Propriedades independentes, Calor latente ( ), Título.
; ;
Reg
ião
de
Liq
. Co
mp
rim
ido
Região de Vap. SuperaquecidoRegião de Saturação
P.C.
Lin
ha
de
líq. S
atu
rad
o
Linha de Vap. Saturado
11Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T
Quanto menor a pressão, menor a temperatura de saturação.
Reg
ião
de
Liq
. Co
mp
rim
ido
Região de Vap. SuperaquecidoRegião de Saturação
P.C.
Lin
ha
de
líq. S
atu
rad
o
Linha de Vap. Saturado
Linha de temperatura constante é decrescente.
12Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T
P.C. é o ponto onde a linha de saturação passa a constituir um ponto.
Abaixo do P.C. identifica-se a região de mudança de fase
No P.C. a mudança de fase ocorre em um ponto (Liq.Sat.=Vap.Sat.)
Acima do P.C. não existe processo identificável de quando a mudança de fase ocorreu. (existe apenas 1 fase)
13Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T
Mapa incluindo a fase sólida - Substância contrai ao solidificar
Só
lid
o
Só
lid
o +
Líq
uid
o
Líq
uid
o
Líq. + Vap.
Linha Tripla
Sólido + Vapor
Vapor Sup.
Ponto Crítico
14Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T
Mapa incluindo a fase sólida - Substância expande ao solidificar
Só
lid
o
Só
lid
o +
Líq
uid
o
Líq
uid
o
Líq. + Vap.
Linha Tripla
Sólido + Vapor
Vapor Sup.
Ponto Crítico
15Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaDiagramas P-v; T-v; P-T e P-v-T
Sólido
Vapor
Fu
são
Fusão
Líquido
Vaporização
Sublimação
Substância que
expande ao solidificar
Substância que
contrai ao solidificar
P.C.
Ponto Triplo
No Diagrama P-T a linha tripla se apresenta como um ponto
16Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaPropriedades
Propriedades do Liq. Comp. Liq. Sat. a mesma Temperatura (incompressível)
Entalpia, Entropia.
17Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaGases Ideais
Gás cuja distância intermolecular seja suficientemente grande para que o comportamento de uma molécula não seja influenciada pela presença de outra.
Equações de Estado correlacionam P, T, v (em equilíbrio)
1802, J. Charles e J. Lussac – A baixas pressões
Base Mássica
Base Molar
18Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaGases Ideais
Vapor de água pode ser modelado como gás ideal a pressões bem baixas 10kPa
Gases em geral podem ser modelados como gás ideal em T>>Tcrit. e P<<Pcrit.
19Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaFator de compressibilidade – Desvio de gás-ideal
Correção da equação de gas ideal para comportamentos de gases reais.
20Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaOutras equações de estado
A equação de gás-ideal de um estado é bem simples mas de uso limitado. Para estender a faixa de utilização e a precisão do comportamento P-v-T algumas equações são propostas:
Van Der Waals – 1873 (a e b) Ponto Crítico
Forças intermoleculares
Derivando:
Baixa Precisão
21Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaOutras equações de estado
Equação Beattie – Bridgeman - 1928
Precisa até 0,8 x 𝞺 crítico
Equação Benedict-Webb-Rubin - 1940
Bem precisa até 2,5 x 𝞺 crítico
1962 – Strobridge estendeu de 8 para 16 constantes.
22Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases
Muitas importantes aplicações em termodinâmica envolvem misturas de substâncias puras no estado gasoso.
Uma mistura de gases não reativos pode ser tratada como substância pura uma vez que em geral essa é uma mistura homogenea de gases diferentes.
Propriedades de uma mistura de gases dependem das propriedades dos gases individuais e da sua composição.
Massa Molar, M (kg/kmol)
Constante do gás da mistura, Rm (kJ/kg. K)
Energia interna, u (kJ/kg)
Entalpia, h (kJ/kg)
Entropia, s (kJ/kg K)
AR
23Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases
Composição de uma misturas de gases ideais
Fração mássica
Fração molar
Massa Molar da Mistura
24Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases ideais
Lei de Dalton (V, T) Lei de Amagat (P,T)
25Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases
Propriedades de uma misturas de gases ideais
Propriedades extensivas
26Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases
Propriedades de uma misturas de gases ideais
Propriedades intensivas
e
e
e
27Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaMistura de gases
Propriedades de uma misturas de gases ideais
Da mesma forma, os calores específicos podem ser expressos:
e
e
A constante de gás da mistura:
28Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr úmido
Abaixo da temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância é comumente chamada de vapor
O termo vapor implica um estado gasoso que está próximo a região de saturação, elevando a possibilidade de condensação em um processo.
Assim, uma mistura de gás e vapor precisa ser modelada de maneira diferente de uma mistura de gases
O ar úmido é uma importante mistura de gases e vapor d água, chamado de ar atmosférico.
O ar que não contém vapor d água é chamado de ar seco
Abaixo de 12,3 kPa o vapor d água pode ser tratado como um gás ideal
29Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Relevância
30Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr úmido
Abaixo de 12,3 kPa o vapor d água pode ser tratado como um gás ideal e nestas condições, o ar úmido pode ser considerado como uma mistura de gases ideais.
Pressão total
Pressão parcial do ar seco
Pressão parcial do vapor d água, chamada de pressão de vapor
31Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Umidade Específica, ω
32Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Umidade Específica, ω
33Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Umidade Específica, ω
34Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Umidade Específica, ω
35Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Umidade Relativa
36Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Ponto de orvalho
Temperatura à qual o vapor d´água se condensa quando resfriado a pressão e umidade absoluta constantes.
37Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Temperatura de Bulbo úmido
Um termômetro cujo o bulbo esteja coberto por uma mecha de algodão saturado com água e exposto a um fluxo de ar sobre a mecha indicará a temperatura de bulbo úmido.
Temperatura do gás ou do ar indicada por um termômetro comum, sem condensação na superfície do bulbo, não exposto à radiação.
Temperatura de Bulbo Seco
38Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaAr Úmido
Carta PsicrométricaÉ um diagrama (forma gráfica) que mostra o conjunto de propriedades termodinâmicas da mistura ar- vapor d'água.
39Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaIntrodução à Combustão
Reação química de oxidação rápida onde as ligações no interior das moléculas dos reagentes são quebradas e os átomos e elétrons se reorganizam para formar os produtos.
Reagentes Produtos
Combustível + Oxidante Produtos
Modelos de combustíveis líquidos
Modelos de combustíveis gasosos
Gasolina (octano)
Diesel (dodecano)
Álcool (etanol)
Metano
Etano
Propano
Butano
40Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaIntrodução à Combustão
Combustão completa ou estequiométrica é aquela que todo o combustível é completamente oxidado produzindo basicamente vapor d’agua e dióxido de carbono.
A massa dos reagentes é igual a massa dos produtos de combustão, mas o número de mols dos reagentes pode diferir dos produtos.
ElementoPeso
Molecular [kg/kmol]
H2 2,02
O2 32
H2O 18,02
41Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaIntrodução à Combustão
Razão ar combustível
• λ >1 mistura pobre
• λ =1 mistura estequiométrica
• λ <1 mistura rica
Fator Lambda,λ
42Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaIntrodução a Combustão
Estequiometria da Combustão
222224 52,7252,72 NOHCONOCH
metmet
arar
c
amet MN
MN
m
mAF
OHCOOCH 2224 22
Combustão estequiométrica do metano
Combustão estequiométrica do metano, com o ar seco
MACHO
43Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia MecânicaIntrodução à Combustão
Estequiometria da Combustão
222224 52,7252,72 NOHCONOCH
c
ar
metmet
arar
c
amet kg
kgMN
MN
m
mAF 2,17
02,161
2952,9
OHCOOCH 2224 22
Combustão estequiométrica do metano
Combustão estequiométrica do metano, com o ar seco
MACHO
44Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Tópicos para próxima aula
Exercícios
Entalpia de formação e entalpia de combustão
Análise da primeira lei para os sistemas reagentes
Temperatura da Chama Adiabática
45
Aula Calor e Fluidos - José Guilherme Coelho Baeta -Concurso Professor Adjunto – DEMEC- UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais
Engenharia Mecânica
Referências Bibliográficas
MORAN, M.J., Shapiro, H.N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 6ª ed., LTC,
2009. BEJAN, A., Advanced EngineeringThermodynamics, 2ª Ed., John Wiley& Sons, 1997.
BORGNAKKE, C., Sonntag, R.E., Fundamentos da Termodinâmica. Tradução da7ª edição americana,Edgard Blücher, 2009 ÇENGEL Y.A, Boles M.A., Termodinâmica. 5ª ed. São Paulo. McGraw-Hill, 2006, 848 p.
GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, 1977.
KUO K. K. PrinciplesofCombustion. New York: John Willey & Sons, 1986.
SHARMA, S. P. et MOHAN, C. FuelsandCombustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984