Termodinâmica Aplicada

Capítulo 1. Introdução

Sistemas termodinâmicos. Sistemas de volume e sistemas de controle. Propriedades de um sistema. Propriedades intensivas e propriedades extensivas. Unidades utilizadas. Massa volúmica, densidade e volume específico. Pressão. Medição de pressão. Pressão manométrica e pressão vacuométrica. Temperatura. Lei zero da Termodinâmica. Equilíbrio térmico. Termómetros. Diferentes tipos de termómetros. Escalas de temperatura. Escala Celsius. Escala fahrenheit. Escala Kelvin. Escala Rankine. Relações entre as diferentes escalas.

 Estado de um sistema. Equilíbrio. Processos. Diferentes tipos de processos. Diagrama PV. Ciclo Termodinâmico.

Capítulo 2. Energia e 2ª lei da Termodinâmica

Revisão dos conceitos de trabalho realizado por uma força, energia cinética e energia potencial. Unidades de energia. Conservação de energia. Trabalho em Termodinâmica. Convenção de sinais. Potência. Trabalho realizado numa expansão ou compressão. Processos de quasiequilíbrio. O trabalho depende do processo realizado-é uma função de percurso. Exemplo 2.1-Cálculo do trabalho realizado num processo politrópico. Outros exemplos de trabalho. Extensão de uma barra sólida. Alongamento de um filme líquido. Potência transmitida por um eixo. Potência elétrica.

Alargamento do conceito de energia. Energia interna de um sistema. Interpretação microscópica da energia interna. Transferência de energia por calor. Convenção de sinais. O calor não é uma propriedade do sistema. Processo adiabático. Parede adiabática. Modos de transferência de calor. Condução. Condutividade térmica. Radiação. Lei de Stefan-Boltzmann. Emissividade. Corpo negro. Corpo branco. Balanço de energia térmica transferida por radiação. Convecção. Lei de Newton do arrefecimento. Coeficiente de transferência de calor por convecção. Convecção forçada. Convecção livre.

Balanço de energia para sistemas fechados.1ª lei da Termodinâmica. Aspetos importantes no balanço de energia. A escolha do sistema em estudo. Alguns exemplos para aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica, em regime estacionário e em regime transiente.

 Análise energética de ciclos. Balanço de energia. Ciclos de potência. Ciclos de refrigeração. Bombas de calor.

Capítulo 3. Cálculo de propriedades. Uso de tabelas

Definição de substância pura e de fase de uma substância. Principio de estado. Sistemas simples compressíveis. Cálculo de propriedades: Considerações gerais. Relação P-v-T. Superfície P-v-T. Projeções da superfície P-v-T: Diagrama de fase, diagrama P-v e diagrama T-v.

 Mudanças de fase. Líquido subarrefecido, líquido compressível e líquido. Mistura líquido-vapor. Título ou qualidade da mistura, x. Líquido saturado. Vapor saturado. Vapor superaquecido. Fusão e sublimação.

 Obtenção dos valores das propriedades termodinâmicas utilizando tabelas. Cálculo da pressão, volume específico e temperatura. Interpolação de dados. Utilização de tabelas de valores de propriedades termodinâmicas. Aquecimento de amónia a pressão constante. Tabelas de saturação. Determinação do volume específico de uma mistura de água líquida e vapor, a partir dos valores da temperatura e do título da mistura. Determinação da pressão da água, a uma temperatura de 100ºC, para diferentes valores de volume específico. Obtenção do estado do sistema através do valor do volume específico. Novo exemplo: Aquecimento de água a volume constante.

 Cálculo da energia interna específica e da entalpia. Tabelas que devemos utilizar para obter os valores destas propriedades. Cálculo dos valores de v,T e h, sabendo o valor da pressão e da energia interna específica.

 Estados de referência e valores de referência. Aplicações envolvendo balanços de energia e utilização de tabelas. Análise de dois processos em série. Calores específicos , Cv e Cp. Cálculo de  propriedades de líquidos e de sólidos. Aproximação para líquidos utilizando dados de líquidos saturados. Modelo de substância incompressível. Resolução de um problema com dados reais.

 Gráficos de compressibilidade generalizada. Constante universal dos gases. Fator de compressibilidade, Z. Valores de compressibilidade generalizada. Pressão reduzida. Temperatura reduzida. Gráfico de compressibilidade generalizada para vários gases. Pressão reduzida. Temperatura reduzida. Exemplo de aplicação. Equações de estado. Equações de estado de Virial. Coeficientes de Virial e seu significado físico. Cálculo de propriedades utilizando o modelo de gás ideal. Equação de estado do gás ideal. Modelo de gás ideal. Exemplo de aplicação- ar considerado como gás ideal. Interpretação microscópica do gás ideal. Energia interna, entalpia e calores específicos dos gases ideais. Variação dos calores específicos com a temperatura. Balanço de energia utilizando tabelas de gases ideais e calores específicos constantes. Exemplos de aplicação. Balanço de energia utilizando o modelo de gás ideal e calores específicos constantes. Exemplo de aplicação.Relações para processos politrópicos. Exemplo de aplicação.

Capítulo 4 - Sistemas abertos. Volumes de controle

 Equação de conservação da massa. Escoamento a uma dimensão. Exemplo de aplicação. Taxa volumétrica de escoamento.

 Balanço de massa em regime estacionário. Fluxo de massa. Equação de conservação da massa na forma integral. Dois exemplos de aplicação(aplicação em regime estacionário e aplicação dependente do tempo).

 Balanço de energia num volume de controle. Equação de conservação da energia para um volume de controle. Trabalho realizado. Trabalho de escoamento. Equação de conservação da energia num volume de controle, com escoamento a uma dimensão. Forma integral da equação de conservação da energia num volume de controle. Formas estacionárias relacionadas com a conservação da massa e a conservação da energia.

 Algumas aplicações. Simplificações que vamos fazer e hipóteses a utilizar. Bocais e difusores. Aplicação a um bocal de vapor. Turbinas. Modelo de turbina a vapor ou a gás. Aplicação a uma turbina a vapor (Exemplo 4.4). Compressores e bombas. Modelos de bombas e compressores. Aplicações ( Compressor de ar. Bomba para elevar água ). Permutadores de calor. Modelos de permutadores de calor. Aplicação (Condensadores de centrais elétricas). Turbinas. Modelo de turbina a vapor ou a gás. Aplicação a uma turbina a vapor (Exemplo 4.4). Compressores e bombas. Modelos de bombas e compressores. Aplicações ( Compressor de ar. Bomba para elevar água ). Permutadores de calor. Modelos de permutadores de calor. Aplicação (Condensadores de centrais elétricas).

Capítulo 5. 2ª lei da Termodinâmica. Entropia.

Entropia e a 2ª Lei da Termodinâmica. Aplicações da 2ª Lei. Ciclos de potência com dois reservatórios. Frigoríficos e bombas de calor. COP. Corolários da 2ª Lei da Termodinâmica para ciclos de refrigeração e para bombas de calor. Valor máximo do desempenho para ciclos operando entre dois reservatórios térmicos. Ciclos de potência. Ciclos de refrigeração e bombas de calor. Ciclo de Carnot. Ciclo de potência de Carnot. Exemplos de aplicação do ciclo de Carnot. Ciclos de Carnot utilizados em refrigeração e em bombas de calor.

Desigualdade de Clausius. Entropia – Uma propriedade do sistema. Variação de entropia em processos internamente reversíveis ocorrendo em sistemas  fechados

Capítulo 6.  Sistemas de potência a vapor

 Modelando sistemas elétricos (centrais elétricas ) a vapor.

Ciclo de Rankine. Analisando o sub-sistema A.Ciclo ideal de Rankine.  Comparação do ciclo de Rankine com o Ciclo de Carnot.

Programa de laboratório

 Os alunos realizarão dois trabalhos práticos e os respetivos relatórios. Os protocolos dos trabalhos já se encontram no Moodle e são:

- Verificação da lei de Boyle-Mariotte

- Determinação do calor de fusão do gelo pelo método das misturas.

Nas restantes aulas serão resolvidas séries de problemas.