Aula 1 – INTRODUÇÃO E CONCEITOS BASICOS

Aula 1

–

INTRODUÇÃO E

CONCEITOS

BASICOS

OBJETIVO

 INTRODUÇÃO AOS CONCEITOS BASICOS DA

TERMODINAMICA E DA TRANSFERENCIA DE CALOR

 _{CALOR E OUTRAS FORMAS DE ENERGIA}

 INTRODUÇÃO A PRIMEIRA LEI DA TERMODINAMICA  INTRODUÇÃO AOS MECANISMOS DE

TRANSFERENCIA DE CALOR

BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

 TRANSFERENCIA DE CALOR E MASSA – UMA

ABORDAGEM PRÁTICA

Definições iniciais

Energia (uma definição):

“Capacidade de realizar trabalho”.

Formas de energia:

Matéria:

“Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.”

Principais Estados da Matéria

Gás

•

• Arranjo totalmente desordenado;

• Volume indefinido;

• Partículas livres para se moverem.

Sólido

•

• Arranjo compacto, ordenado;

• Volume definido;

• Movimento

molecular restrito.

Líquido

•

• Arranjo

desordenado;

• Volume definido;

Temperatura: Noção intuitiva

Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu

estado térmico.

T₁ T2 T₁ > T₂

T T

contato

Calor e sua propagação

Calor (uma definição):

“Calor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos”.

Há transferência líquida de calor,

Unidades

de medida de calor

caloria – cal

Joule – J

British thermal unit – Btu

A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água.

O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F.

Convenção para a Troca de calor

calor recebido

calor retirado

Q > 0

Troca de Calor

Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.

0

...

3 2

1

+

Q

+

Q

+

+

Q

=

Q



Termodinâmica:

Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças.



Transferência de calor:

O que ocorre com a temperatura

de um corpo quando se transfere

calor a ele??

Calor sensível

Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico.

Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura.

Q = C

D

T = m c

D

T

Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc]; C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC];

m = massa do corpo [g, kg];

c = calor específico da substância [J/(kg ºC)];

Calor específico e capacidade

calorífica

H₂O Barra de

ferro

Calores específicos (a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]:

H₂O = 4200; Gelo (0ºC) =2040 Etanol = 2400; Alumínio = 900; Cobre = 390; Latão = 380; Ferro = 450; Vidro = 840.

Calor específico é uma grandeza

fisica intensiva que define a variação térmica de determinada substancia ao receber determinada quantidade de calor.

Calor específico representa a quantidade de energia

necessária para elevar de 1 ºC

Valores

de c (25ºC e 1 atm)

Calor Específico Calor Específico Molar

Substância _{cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K)} Sólidos Elementares Chumbo Tungstênio Prata Cobre Alumínio 0,0305 0,0321 0,0564 0,0923 0,215 128 134 236 386 900 26,5 24,8 25,5 24,5 24,4 Outros Sólidos Latão Granito Vidro

Gelo ( - 10°C) 0,092 0,19 0,20 0,530 380 790 84 0 2.220

Líquidos

Calor específico para gases

 Calor sensível a pressão constante:

∆H = Q_p = m c_p (T_final – T_inicial)

- c_p é o calor específico do material a pressão constante; - ∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.).

 Calor sensível a volume constante:

∆U = Q_v = m c_v (T_final – T_inicial)

Da capacidade calorífica podem derivar-se:

•Calor específico – que é, como vimos atrás, a quantidade de calor

necessário para elevar de 1ºC (ou 1ºK) um grama de material;

•Capacidade calorífica molar, que é a quantidade de calor necessário para

elevar de 1ºC (ou 1ºK) uma mole de material.

A capacidade calorífica C de um material é a quantidade de calor

necessária para elevar a sua temperatura de 1ºC (ou 1ºK); é uma grandeza independente da quantidade de material.

Assim se ao material for cedida a quantidade de calor Q, e a sua temperatura varia de ΔTºK, temos a igualdade:

Sendo:

Q – Quantidade de calor fornecida ao material;

C _– Capacidade calorífica do material;

ΔT – Variação de temperatura; T_f – Temperatura final;

Calor Latente

Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente.

Ex.: fornecimento de calor à água fervente.

Mudança de fase

O calor latente de mudança de estado pode ser:

endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor.

Cálculo da troca de calor latente

Q = m L

- Q (J) quantidade de calor trocado;

- L (J/kg) calor latente da transformação física; - m (kg) a massa que mudou de estado físico.

Como a pressão é constante:

Q = ∆

H

→

L = h

Qual a velocidade de uma Troca de

Calor?

Velocidade  Fluxo de calor

t Q tempo de Intervalo A área uma atravessa que calor de Quantidade q D = = 

No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.

A

T₁ > T₂

Temperatura (uma definição):

Processos de Transferência de Calor

 Condução

 Convecção

 Radiação térmica

Condução

Convecção

Condução

Fonte:

www.terra.com.br/fisicanet

Transferência de energia de

partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto.

Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.

Condução

A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula,

somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.

Calor

Condução de calor ao longo de uma barra.

Condução de calor ao longo de gás confinado.

Fluxo de Calor na Condução

 “Lei de Fourier”:

L

)

T

T

(

A

k

q



_cond

=





1



2

k é a condutividade térmica [W/(m ºC)]

k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC)

k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 _{W/(m ºC)}

Condução - Aplicações e

consequências

 Conforto térmico corporal;

 Seleção de materiais para empregos específicos

na indústria (condutores e isolantes).

Por que os iglus são feitos de gelo?

Convecção

Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio;

Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas;

É o transporte de calor típico dos

Convecção natural e forçada

Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido.

Transporte natural de fluidos

Convecção natural e forçada

Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos.

Convecção forçada Transporte forçado

Fluxo de Calor na Convecção



“Lei de Newton do Resfriamento”:

)

T

T

(

A

h

q

=







- h é o coeficiente de transferência convectiva

de calor ou coeficiente de película [W/(m

_ºC)]

Coeficiente de transferência

de calor por convecção - h

Processo h [W/(m2 _K)]

Convecção natural Gases

Líquidos

2 – 25

50 – 1.000

Convecção forçada Gases

Líquidos

25 – 250

50 – 20.000

Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação

Convecção - Aplicações e

conseqüências

•

Conforto ambiental;

Irradiação ou radiação térmica

- Toda a matéria que se encontra a uma temperatura

acima do Zero Absoluto (0 K) irradia energia térmica.

- Não necessita de meio material

para ocorrer,

pois

a energia é transportada por meio de ondas

eletromagnéticas.

Transmissão de calor por Radiação

i

t

r

a

Q

Q

Q

Q

+

+

=

_a

+

_r

+

_t

=

₁

de) (absorvida Q Q a i a

= ( refletividade)

Q Q r

i r

= ( transmissividade)

Reflexão

• O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1.

Absorção

• Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1.

• Um corpo cinzento, a < 1.

Transmissão

• Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero).

• Um corpo opaco, t = 0 (zero).

1

t

r

a

+

+

=

Transmissão de calor por Radiação

Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica.

Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!!

Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a =  = 0,94).

Fluxo de calor na Radiação

reais)

(corpos

negro)

(corpo

negro)

(corpo

T

A

q

E

T

A

q

E









=

















=





=

















=

“Lei

de Stefan-

Boltzmann”

:

E – Poder emissivo [W/m2_];

 _– emissividade (0 ≤  _{≤ 1);}

σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 _W/(m2 _K4_)];

Fluxo de calor transferido por

radiação

Para a troca de calor por radiação entre duas superfícies, uma dentro da outra, separadas por um gás que não interfere na transferência por radiação:





vizinhança Superfície

rad

_T

_T

A

q







=

























T_superfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente;

Radiação Térmica - Aplicações

•

Fonte alternativa de energia;

•

Previsões meteorológicas baseiam-se nas

Processos de Transferência de Calor

Trocador de Calor

1ª e 2

a

Leis

da

que trata

• do calor e do trabalho

• das características dos sistemas e

Sadi Carnot

1796 - 1832

James Joule

1818 - 1889

Rudolf Clausius

1822 - 1888

Wiliam Thomson Lord Kelvin

1824 - 1907

Emile Claupeyron

1799 - 1864

Nasceu em Salford - Inglaterra

James P. Joule

(1818-1889)

Contribuição de James Joule.

1839 Experimentos:

trabalho mecânico, eletricidade e calor.

1840 Efeito Joule : Pot = RI2

1843 Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4,18 J)

1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo.

As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina:

a Termodinâmica

Lei da Conservação

de Energia

1a _Lei

da

1a _{Lei de Termodinâmica}

é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos

Certa massa delimitada por uma fronteira.

Vizinhança do sistema.

O que fica fora da fronteira

Sistema fechado

Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

Sistema Aberto

Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.

Transformação

P1 V1 T1 U1

P2 V₂ T2 U2

Estado 1 _{Transformação} Estado 2 Variáveis de

estado

“Caminho” descrito pelo sistema na

transformação .

Processos

P1 V₁ T1 U1

P2 V₂ T2 U2

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura constante

Isobárico Pressão constante Isovolumétrico volume constante

Transformações

1

_{Lei da Termodinâmica}

ΔU = U₂ – U1

Variação Energia Interna

W > 0 → sistema realiza trabalho

W < 0 → sistema sofre trabalho

Q > 0 → sistema recebe calor

Q < 0 → sistema perde calor

1

_Lei

Q = W +

Δ

U

Q = W + ∆U

Gás

Expansão nula W = 0

Δ U = Q

ΔU depende apenas de ΔT.

ΔT = 0 → ΔU = 0

ΔT > 0 → ΔU > 0

ΔT _{< 0 → Δ}U < 0

Como U é uma variável de estado, ΔU não

depende do processo.

∆V = V2 -V1

∆U = Q - W

W

depende de como a pressão e volume mudam

no processo.

W = F.d

F = Pr.S

W = Pr.S.d

W = Pr.ΔV

.

fronteira

P

V

= nRT

Estado 1

no de moles

Constante dos gases

R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K

Gases ideais

1 P1

V1

T1 Como as variáveis

de estado se relacionam?

Por Exemplo,

LISTA

 TODOS OS EXEMPLOS DO CAPITULO 1  1-1C 1-2C 1-8C 1-9 C 1-12 1-14

 1-36C AO 1-45C