Termodinâmica

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Consagrado autor de uma série de livros em engenharia, Çengel apresenta na 7.ed. do seu Termodinâmica um texto claro e objetivo sobre os princípios da área. Este é um texto que fala diretamente com o engenheiro de amanhã, de maneira simples e precisa, estimulando o pensamento criativo e inovador.

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Capítulo 1: Introdução e Conceitos Básicos

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Capítulo

1

Int rodução e

C onceitos B ásic o s

OBJETIVOS

C

ada ciência tem um vocabulário próprio, e a termodinâmica não é exceção.

A definição exata dos conceitos básicos estabelece uma base sólida para o desenvolvimento da ciência e evita possíveis mal-entendidos. Iniciamos este capítulo com uma visão geral da termodinâmica e dos sistemas de unidades, e prosseguimos com uma discussão sobre alguns conceitos básicos como sistema, estado, postulado de estado, equilíbrio e processo. Discutimos também a temperatura e as escalas de temperatura, com ênfase particular à Escala de Temperatura

Internacional de 1990. Em seguida, apresentamos a pressão, que é a força normal exercida por um fluido por unidade de área, e discutimos as pressões absoluta e manométrica, a variação da pressão com a profundidade e os dispositivos de medição de pressão, como manômetros e barômetros. O estudo cuidadoso desses conceitos é essencial para uma boa compreensão dos tópicos dos próximos capítulos.

 

Capítulo 2: Energia, Transferência de Energia e Análise Geral da Energia

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Capítulo

2

Energ ia, Transfe rê n c ia de Energia e A n á lis e

G eral da Ener gi a

OBJETIVOS

Q

uer percebamos ou não, a energia é parte importante na maioria dos aspectos de nossa vida diária. A qualidade de vida, e até mesmo sua manutenção, dependem da disponibilidade de energia. Portanto, é importante que tenhamos uma boa compreensão das fontes de energia, da conversão entre diversas formas de energia e das ramificações dessas conversões. A energia existe sob muitas formas, e pode ser térmica, mecânica, elétrica, química e nuclear. Até mesmo a massa pode ser considerada uma forma de energia. Ela pode ser transferida para ou de um sistema fechado (uma massa fixa) de duas formas distintas: calor e trabalho. Para volumes de controle, energia também pode ser transferida por meio de um fluxo de massa. Uma transferência de energia de ou para um sistema fechado é calor se for causada por uma diferença de temperatura. Caso contrário, ela é trabalho e é causada por uma força que atua através de uma distância.

 

Capítulo 3: Propriedades das Substâncias Puras

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Capítulo

3

P ropriedades das

S ubs tâncias P u ra s

OBJETIVOS

I

niciamos este capítulo com a introdução do conceito de substância pura e com uma discussão sobre a física dos processos de mudança de fase. Em seguida, ilustramos os diversos diagramas de propriedades e as superfícies P-v-T das substâncias puras. Após a demonstração do uso das tabelas de propriedades, discutimos a substância hipotética gás ideal e a equação de estado do gás ideal.

Apresentamos o fator de compressibilidade, que leva em conta o desvio entre o comportamento dos gases reais e o do gás ideal, e algumas das equações de estado mais conhecidas, como as equações de van der Waals, Beattie-Bridgeman e

Benedict-Webb-Rubin.

Ao término deste capítulo, você será capaz de:

Apresentar o conceito de substância pura.

Discutir a física dos processos de mudança de fase.

Ilustrar os diagramas de propriedades P-v, T-v e P-T e as superfícies P-v-T das substâncias puras.

 

Capítulo 4: Análise da Energia dos Sistemas Fechados

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Capítulo

4

A nál i se da Energ ia dos S istemas

Fecha dos

OBJETIVOS

N

o Cap. 2, consideramos várias formas de energia e de transferência de energia e desenvolvemos uma equação geral para o princípio de conservação da energia. Em seguida, no Cap. 3, aprendemos a determinar as propriedades termodinâmicas das substâncias. Neste capítulo, aplicaremos a equação de conservação da energia a sistemas que não envolvem fluxo de massa através de suas fronteiras, ou seja, sistemas fechados. Começamos este capítulo com uma discussão sobre trabalho de fronteira móvel, ou trabalho P dV, geralmente encontrado em dispositivos alternativos como motores automotivos e compressores.

Continuamos com a aplicação da equação da conservação da energia, que é expressa simplesmente como Eent � Esai � �Esistema, a sistemas que envolvem uma substância pura. A seguir, definimos calores específicos, obtemos expressões para a energia interna e a entalpia dos gases ideais em termos de calores específicos e variações de temperatura e realizamos os balanços de energia em diversos sistemas que envolvem gases ideais. Repetimos o mesmo procedimento para os sistemas que envolvem sólidos e líquidos, que podem ser aproximados como substâncias incompressíveis.

 

Capítulo 5: Análises da Massa e da Energia em Volumes de Controle

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Capítulo

5

A nál i ses da Ma s s a e da Energia em

Vol umes de C on tro le

OBJETIVOS

N

o Cap. 4, aplicamos a equação geral do balanço de energia expressa como

Eent – Esai � �Esistema aos sistemas fechados. Neste capítulo, estendemos a análise da energia aos sistemas que envolvem o escoamento de massa através de suas fronteiras, ou seja, aos volumes de controle, com particular ênfase para os processos em regime permanente. Iniciamos este capítulo com o desenvolvimento da equação geral de conservação da massa para os volumes de controle e continuamos com uma discussão sobre o trabalho de escoamento e sobre a energia das correntes de fluidos. Aplicamos então o balanço de energia aos sistemas que envolvem processos em regime permanente e analisamos os dispositivos com escoamento em regime permanente mais comuns, como bocais, difusores, compressores, turbinas, dispositivos de estrangulamento, câmaras de mistura e trocadores de calor. Finalmente, aplicamos o balanço de energia aos processos com escoamento em regime transiente, como o carregamento e o descarregamento de reservatórios.

 

Capítulo 6: A Segunda Lei da Termodinâmica

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Capítulo

6

A Segunda Lei d a

Termodinâmica

OBJETIVOS

A

té este ponto, concentramos nossa atenção na primeira lei da termodinâmica, a qual exige que a energia seja conservada durante um processo. Neste capítulo, apresentamos a segunda lei da termodinâmica, cujo enunciado diz que processos ocorrem em determinada direção e que a energia tem qualidade e quantidade. Para que um processo ocorra, é preciso que ele satisfaça tanto a primeira como a segunda lei da termodinâmica. Neste capítulo, apresentamos os conceitos de reservatórios de energia térmica, processos reversíveis e irreversíveis, máquinas térmicas, refrigeradores e bombas de calor. Diversos enunciados da segunda lei da termodinâmica são acompanhados por uma discussão sobre moto-contínuos e a escala termodinâmica de temperatura. O ciclo de Carnot é apresentado a seguir, assim como uma discussão sobre os princípios de Carnot.

Finalmente, examinamos as máquinas térmicas, os refrigeradores e as bombas de calor ideais de Carnot.

 

Capítulo 7: Entropia

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Capítulo

7

Ent rop ia

OBJETIVOS

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o Cap. 6, apresentamos a segunda lei da termodinâmica e a aplicamos aos ciclos e dispositivos cíclicos. Neste capítulo, aplicamos essa lei a processos. A primeira lei da termodinâmica trata da energia e de sua conservação. A segunda lei leva à definição de uma nova propriedade chamada entropia.

Essa propriedade é um tanto abstrata, sendo difícil descrevê-la fisicamente sem levar em conta o estado microscópico do sistema. Ela é melhor compreendida no estudo de suas aplicações nos processos mais comuns da engenharia, e é isso o que pretendemos fazer.

Este capítulo inicia com uma discussão da desigualdade de Clausius, que forma a base da definição da entropia. Em seguida, ele trata do princípio do aumento da entropia. Ao contrário da energia, a entropia é uma propriedade que não se conserva, não existindo portanto conservação de entropia. A seguir discutiremos as variações de entropia que ocorrem durante processos envolvendo substâncias puras, substâncias incompressíveis e gases ideais e examinaremos uma classe especial de processos idealizados denominados processos isentrópicos. Em seguida, consideraremos o trabalho reversível em regime permanente e as eficiências isentrópicas de diversos dispositivos de engenharia, como as turbinas e os compressores. Finalmente, apresentaremos o balanço de entropia e o aplicaremos a diversos sistemas.

 

Capítulo 8: Exergia: uma Medida do Potencial de Trabalho

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Capítulo

8

Ex erg ia: uma

Medi da do P oten c ia l de Tra balho

OBJETIVOS

A

consciência crescente de que os recursos energéticos do mundo são limitados tem levado muitos países a reexaminar suas políticas energéticas e a tomar medidas drásticas para eliminar o desperdício. A comunidade científica tem se interessado em examinar mais de perto os dispositivos de conversão de energia e desenvolver novas técnicas que permitam a melhor utilização dos limitados recursos existentes. A primeira lei da termodinâmica trata da quantidade de energia e afirma que a energia não pode ser criada nem destruída. Essa lei serve apenas como ferramenta necessária para a contabilização da energia durante um processo e não oferece desafios para o engenheiro. A segunda lei, porém, trata da qualidade da energia. Mais especificamente, ela diz respeito à degradação da energia durante um processo, à geração de entropia e às oportunidades perdidas de realizar trabalho. Além disso, oferece muito espaço para aperfeiçoamento.

 

Capítulo 9: Ciclos de Potência a Gás

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Capítulo

9

C i cl os de P otên c ia a Gás

OBJETIVOS

D

uas áreas importantes de aplicação da termodinâmica são a geração de potência e a refrigeração, ambas realizadas geralmente por sistemas que operam segundo um ciclo termodinâmico. Os ciclos termodinâmicos podem ser divididos em duas categorias gerais: os ciclos de potência, que serão discutidos neste capítulo e no Cap. 10, e os ciclos de refrigeração, discutidos no Cap. 11.

Os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir potência são geralmente chamados de motores (ou máquinas), e os ciclos termodinâmicos nos quais eles operam são chamados de ciclos de potência. Os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir um efeito de refrigeração são chamados de refrigeradores, condicionadores de ar ou bombas de calor, e os ciclos nos quais eles operam são chamados de ciclos de refrigeração.

Os ciclos termodinâmicos podem também ser categorizados como ciclos a gás e ciclos a vapor, dependendo da fase do fluido de trabalho. Nos ciclos a gás, o fluido de trabalho permanece na fase gasosa em todo o ciclo; nos ciclos a vapor, o fluido de trabalho existe na fase vapor durante uma parte do ciclo e na fase líquida durante a outra parte.

 

Capítulo 10: Ciclos de Potência a Vapor e Combinados

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Capítulo

10

C i cl os de P otên c ia a

Vapor e C ombin a d o s

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N

o Cap. 9 discutimos os ciclos de potência a gás nos quais o fluido de trabalho permanece como um gás durante todo o ciclo. Neste capítulo, consideramos os ciclos de potência a vapor, nos quais o fluido de trabalho

é alternadamente vaporizado e condensado. Consideramos também a geração de potência acoplada ao processo de aquecimento, chamada de cogeração.

A busca constante por eficiências térmicas mais altas resultou em algumas modificações inovadoras no ciclo de potência a vapor básico. Entre elas discutimos os ciclos regenerativos e com reaquecimento, bem como os ciclos de potência combinados gás-vapor.

Vapor de água é o fluido de trabalho mais comum utilizado nos ciclos de potência a vapor, pois tem várias características desejáveis, tais como baixo custo, disponibilidade e alta entalpia de vaporização. Assim, este capítulo dedica-se principalmente à discussão das usinas a vapor de água. As usinas a vapor normalmente são classificadas como usinas a carvão, usinas nucleares ou usinas a gás natural, em referência ao tipo de combustível usado para fornecer calor ao vapor. Entretanto, o vapor passa pelo mesmo ciclo básico em todas elas, e por isso todas as usinas podem ser analisadas do mesmo modo.

 

Capítulo 11: Ciclos de Refrigeração

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Capítulo

11

C i cl os de

R ef ri geração

OBJETIVOS

U

ma das grandes áreas de aplicação da termodinâmica é a refrigeração, que é a transferência de calor de uma região com temperatura mais baixa para outra com temperatura mais alta. Os dispositivos que produzem refrigeração são chamados de refrigeradores, e os ciclos nos quais eles operam são chamados de ciclos de refrigeração. O ciclo de refrigeração mais usado é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, no qual o refrigerante é vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido na fase de vapor. Outro ciclo de refrigeração conhecido é o ciclo de refrigeração a gás, no qual o refrigerante permanece sempre na fase gasosa. Os outros ciclos de refrigeração discutidos neste capítulo são a refrigeração em cascata, na qual é utilizado mais de um ciclo de refrigeração, a refrigeração por absorção, na qual o refrigerante é absorvido em um líquido antes de ser comprimido, e a refrigeração termoelétrica (discutida no

 

Capítulo 12: Relações de Propriedades Termodinâmicas

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Capítulo

12

R el aç ões de

P ropriedades

Termodinâmicas

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os capítulos anteriores, usamos amplamente as tabelas de propriedades.

Tendemos a confiar bastante nessas tabelas, pois, sem elas, as leis e princípios da termodinâmica são de pouca utilidade para os engenheiros. Neste capítulo, concentramos nossa atenção na maneira como as tabelas de propriedades são preparadas e como algumas propriedades desconhecidas podem ser determinadas com base em dados limitados.

Sabemos que algumas propriedades, como temperatura, pressão, volume e massa, podem ser medidas diretamente e que outras, como densidade e volume específico, podem ser determinadas por meio daquelas com o uso de algumas relações simples. Contudo, propriedades como energia interna, entalpia e entropia não são tão fáceis de determinar, pois não podem ser medidas diretamente nem relacionadas a propriedades facilmente mensuráveis por meio de relações simples.

Portanto, é essencial que desenvolvamos algumas relações fundamentais entre as propriedades termodinâmicas comumente encontradas e expressemos as propriedades que não podem ser medidas diretamente utilizando as propriedades facilmente mensuráveis.

 

Capítulo 13: Misturas de Gás

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Capítulo

13

Mi s t u ras de G ás

OBJETIVOS

A

té este ponto, limitamos nosso exame aos sistemas termodinâmicos que envolvem uma única substância pura, como a água. Muitas aplicações termodinâmicas importantes, porém, envolvem misturas de várias substâncias puras em vez de uma única. Assim, é importante compreender as misturas e aprender a lidar com elas.

Neste capítulo, lidamos com misturas de gases não reativos. Uma mistura de gases não reativos pode ser tratada como uma substância pura, uma vez que, em geral, essa é uma mistura homogênea de gases diferentes. As propriedades de uma mistura de gases dependem, obviamente, das propriedades dos gases individuais

(chamados de componentes ou constituintes), bem como da quantidade de cada gás da mistura. Assim, é possível preparar tabelas de propriedades para as misturas. Isso tem sido feito para misturas comuns, como o ar. Preparar tabelas de propriedades para a composição de cada mistura possível não é algo prático, uma vez que o número de composições possíveis é infinito. Assim, precisamos desenvolver regras para determinar as propriedades de mistura usando o conhecimento das composições das misturas e as propriedades dos componentes individuais.

 

Capítulo 14: Misturas Gás-Vapor e Condicionamento de Ar

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Capítulo

14

Mi s t u ras G ás- Vap o r e

C ondicionamento d e Ar

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m temperaturas abaixo da temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância é frequentemente chamada de vapor. O termo vapor implica um estado gasoso que está próximo da região de saturação da substância, elevando a possibilidade de condensação durante um processo.

No Cap. 13 discutimos as misturas de gases que geralmente estão acima de suas temperaturas críticas, por isso não havia preocupação com a possível condensação de nenhum desses gases durante um processo. A análise fica bastante simplificada quando não é preciso lidar com duas fases; porém, quando lidamos com uma mistura de gás e vapor, o vapor pode condensar durante um processo, formando uma mistura de duas fases. Isso pode complicar consideravelmente a análise. Assim, uma mistura de gás e vapor precisa ser tratada de modo diferente de uma mistura comum de gases.

Várias misturas de gás e vapor são encontradas na engenharia. Neste capítulo, vamos considerar a mistura de ar-água-vapor, que é a mistura de gás-vapor mais encontrada na prática. Discutimos também o condicionamento de ar, ou seja, a principal área de aplicação das misturas de ar-água-vapor.

 

Capítulo 15: Reações Químicas

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Capítulo

15

R eações

Q uí mi cas

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os capítulos anteriores limitamos nosso exame aos sistemas não reativos

– aqueles cuja composição química permanece inalterada durante um processo. Vimos que isso também ocorre nos processos de mistura, durante os quais uma mistura homogênea se forma por meio de dois ou mais fluidos sem que ocorra nenhuma reação química. Neste capítulo, tratamos especificamente dos sistemas cuja composição química varia durante um processo, ou seja, os sistemas que envolvem reações químicas.

Ao lidarmos com sistemas não reativos, precisamos levar em conta apenas a energia interna sensível (associada a mudanças de temperatura e pressão) e a energia interna latente (associada a mudanças de fase). Ao lidarmos com os sistemas reativos, porém, também precisamos levar em conta a energia interna química, que é aquela associada à destruição e formação de ligações químicas entre os átomos. As relações de balanço de energia desenvolvidas para os sistemas não reagentes se aplicam igualmente aos sistemas reagentes, mas os termos de energia neste último caso devem incluir a energia química do sistema.

 

Capítulo 16: Equilíbrios Químico e de Fases

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Capítulo

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Equi l íbr ios Q uím ic o e de Fases

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o Cap. 15 analisamos os processos de combustão admitindo que ela é completa quando há tempo e oxigênio suficientes. Entretanto, nem sempre isso acontece. Uma reação química pode atingir um estado de equilíbrio antes de se completar, mesmo quando há tempo e oxigênio suficientes.

Diz-se que um sistema está em equilíbrio se nenhuma variação ocorrer dentro dele quando estiver isolado da vizinhança. Um sistema isolado está em equilíbrio mecânico se não ocorrerem variações na pressão, em equilíbrio térmico se não ocorrerem variações na temperatura, em equilíbrio de fases se não ocorrerem transformações de uma fase para outra e em equilíbrio químico se não ocorrerem variações na sua composição química. As condições para os equilíbrios mecânico e térmico são de simples compreensão, mas as condições para os equilíbrios químico e de fases podem ser bastante complexas.

O critério de equilíbrio dos sistemas reativos tem por base a segunda lei da termodinâmica, mais especificamente o princípio do aumento da entropia. Para os sistemas adiabáticos, o equilíbrio químico é estabelecido quando a entropia do sistema reativo atinge um máximo. Entretanto, a maioria dos sistemas reativos encontrados na prática não é adiabática. Portanto, precisamos desenvolver um critério de equilíbrio que se aplique a qualquer sistema reativo.

 

Capítulo 17: Escoamento Compressível

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Capítulo

17

Es coam ento

C ompressível

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té aqui nos limitamos a considerar escoamentos para os quais os efeitos das variações da densidade (e, portanto, da compressibilidade) são desprezíveis. Neste capítulo, eliminaremos essa limitação e consideraremos os escoamentos que envolvem variações significativas da densidade. Tais escoamentos são chamados de escoamentos compressíveis e frequentemente podem ser encontrados em dispositivos que envolvem o escoamento de gases a velocidades muito altas. O escoamento compressível combina a dinâmica dos fluidos e a termodinâmica, pois as duas são necessárias para o desenvolvimento do fundamento teórico necessário. Neste capítulo, desenvolveremos as relações gerais associadas aos escoamentos unidimensionais compressíveis de um gás ideal com calores específicos constantes.

Iniciamos apresentando os conceitos de estado de estagnação, velocidade do som e número de Mach para os escoamentos compressíveis. As relações entre as propriedades estáticas e de estagnação dos fluidos são desenvolvidas para os escoamentos isentrópicos dos gases ideais e expressas como funções da razão entre os calores específicos e do número de Mach. Os efeitos das variações de

 

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