MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 1-3 – TERMODINÂMICA APLICADA AS MÁQUINAS TÉRMICAS

Diagrama de Fases ◦Estado líquido

◦Mistura bifásica líquido-vapor

◦Estado de vapor

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Conservação da Massa Para Um Volume de Controle

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Conservação da Massa Para Um Volume de Controle

◦Formulação Geral:

◦Regime Permanente:

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Exemplo 1◦Um aquecedor de água operandoem regime permanente possui duasentradas e uma saída, conformeilustrado na figura abaixo.Determine a vazão mássica naentrada 2 e na saída, em Kg/s, e avelocidade na entrada 2, em m/s.

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Exemplo 1

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Conservação da Energia para um Volume de Controle

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Balanço de Energia Para Regime Permanente

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Balanço de EnergiaBocais e Difusores

◦Um bocal é um duto com áreade seção reta varável na qual avelocidade de um gás ou líquidoaumenta na direção doescoamento.

◦Em um difusor, o líquido ou gásse desacelera na direção doescoamento.

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Balanço de EnergiaBocais e Difusores

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Balanço de EnergiaTurbina

◦Uma turbina é um dispositivoque produz trabalho em funçãoda passagem de um gás oulíquido escoando através deuma série de pás colocadas emum eixo que se encontra livrepara girar.

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Balanço de EnergiaTurbina - Exemplo

◦Vapor de água entra em umaturbina operando em regimepermanente. A turbinadesenvolve uma potência de1000KW. Para uma misturaliquido-vapor de x=0,9, calcule ataxa de transferência de calorentre a turbina e a vizinhançaem KW.

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Balanço de EnergiaTurbina - Exemplo

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Balanço de EnergiaCompressores e Bombas

◦Compressores são dispositivosnos quais o trabalho é realizadosobre o gás que atravessa demodo a elevar a pressão.

◦Nas bombas o trabalho é usadopara mudar o estado do líquidoe proporcionar seu fluxo em umcircuito.

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Balanço de EnergiaCompressores e Bombas - Exemplo

◦Um compressor opera conformecom gás ideial nas condiçõesmostrada na figura ao lado.Sabendo que sua taxa deresfriamento é de 180KJ/min,determina a protêncianecessária para sua operação.

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Balanço de EnergiaTrocadores de Calor

◦Os dispositivos que transferemenergia entre fluidos dediferentes temperaturas atravésdos modos de transmissão decalor são denominadostrocadores de calor.

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Balanço de EnergiaTrocadores de Calor - Exemplo

◦Um trocador de calor, contra-corrente, opera conformeilustrado na figura ao lado.Destermine:

◦A) A relação entre os fluxos demassa;

◦B) A taxa de calor trocado porunidade de massa.

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Balanço de EnergiaDispositivos de Estrangulamento

◦Quando um escoamento emuma válvula ou em outrarestrição é idealizado, oprocesso é chamado deprocessos de estrangulamento.

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Balanço de EnergiaExemplo

◦O esquema ao lado mostra umcircuido de geração de potenciacomposto por um trocado decalor e uma turbina. Para osparâmetros de operaçãomostrados na figura, determinea potência gerada pela turbina,adimita que não exista perda decalor para o ambiente.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEnunciados

◦Kelvin-Planck: É impossível para qualquer sistema operar emum ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida detrabalho para as suas vizinhanças enquanto recebe energia portransferência de calor de um único reservatório térmico.

◦Clausius: É impossível para qualquer sistema operar demaneira que o único resultado seria a transferência de energiasob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpomais quente.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaProcessos Irreversíveis

◦Um processo é chamado de irreversível se o sistema e todas aspartes que compõem suas vizinhanças não puderem serrestabelecidos exatamente aos seus respectivos estadosiniciais após o processo ter ocorrido.

◦O processo é reversível se tanto o sistema quanto asvizinhanças puderem retornar aos seus estados iniciais.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaProcessos Irreversíveis – Ciclo de Carnot

◦A eficiência térmica de um ciclo depotência irreversível é sempremenor do que a eficiência térmica deum ciclo de potência reversívelquando cada um opera entre osmesmos dois reservatórios térmicos.

◦Todos os ciclos de potênciareversíveis operando entre osmesmo dois reservatórios térmicospossuem a mesma eficiênciatérmica.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaUtilizando a Entropia

◦A desigualdade de Clausiusestabelece que:

◦A equação também pode serescrita da seguinte forma:

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A Segunda Lei da TermodinâmicaBalanço de Entropia

◦Por definição a variação deentropia em um processoirreversível é dada por:

◦Para um processo real, ageração de entropia éadicionada a equação:

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A Segunda Lei da TermodinâmicaBalanço de Entropia

◦O balanço diferencial deentropia em um volume decontrole pode ser escrito daseguinte forma:

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A Segunda Lei da TermodinâmicaProcessos Isentrópicos

◦O termo isentrópico denota entropia constante:

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEficiência Isoentrópica – Turbinas

◦A eficiência isoentrópica consistena comparação entre odesempenho real de umequipamento e o desempenho queseria atingido em condiçõesidealizadas para o mesmo estadoinicial e a mesma pressão de saída.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEficiência Isoentrópica – Turbinas

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEficiência Isoentrópica – Compressores

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEficiência Isoentrópica – Exercício

◦Uma turbina a vapor opera emregime permanente comcondições de entrada de P1=5 bar,T1=320°C. Vapor deixa a turbina auma pressão de 1 bar. Não ocorretransferência significativa de calor.Se a eficiência isoentrópica daturbina é de 75%, determine otrabalho produzido por unidade demassa de vapor, em KJ/Kg.

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A Segunda Lei da TermodinâmicaEficiência Isoentrópica – Exercício

◦O sistema de refrigeração ilustradona figura ao lado opera com R22,determine a eficiência isoentrópicado compressor.

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