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Energia e Meio AmbienteEnergia e Meio AmbienteEnergia e Meio AmbienteCalor e Trabalho

Energia e Meio AmbienteCalor e Trabalho

Prof. Alexandro V. Rocha

"Antes de imprimir pense em sua responsabilidade e compromisso com o MEIO AMBIENTE."

Fevereiro / 2013

Objetivos

Estudar os mtodos pelos quais o calor transferido, e detalhar

os passos que podem ser seguidos para reduzir o consumo de energia

nas reas de aquecimento e refrigerao do espao.

Bibliografia de Referncia

HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M.; REIS, L. B. Energia e Meio

Ambiente. Traduo da 4a edio americana. Editora Cengage

Learning. So Paulo, 2010

Sumrio Introduo

Calor e Primeira Lei da Termodinmica

Temperatura e Calor

Princpios de Transferncia de Calor

Mquinas Trmicas

Segunda Lei da Termodinmica

IntroduoConsumo domstico de energia nos Estados Unidos por uso final. 1 Quad = 1015BTU.

Fig. 4-1, p. 98 (Livro de Referncia)


Energia Total = Energia Mecnica + Energia Trmica + Energia Qumica+ Energia Eltrica

Energia Mecnica = Energia Cintica + Energia Potencial

Calor e Trabalho so as duas nicas maneiras pelas quais a energia pode serCalor e Trabalho so as duas nicas maneiras pelas quais a energia pode seradicionada a um corpo ou retirada dele para mudar sua energia total, senenhuma massa for adicionada.

Erroneamente, imaginava-se que o calor seria um fluido, chamadocalrico, que escoaria de um corpo quente para um corpo frio, causandoaumento tanto da temperatura como na sua massa.


Relao entre calor e trabalho.Uma variao de temperatura nagua pode ser causada:

- deixando-se o peso cair(fazendo que as ps girem) ou;

Fig. 4-2, p. 99 (Livro de Referncia)

(fazendo que as ps girem) ou;

- pela adio de calor por meiode uma chama.

Calor e Primeira Lei da TermodinmicaUnidade de Calor originalmente era a caloria (cal), devido a separao histricaentre calor e energia.

Caloria = quantidade de calor necessria para aquecer um grama de gua paraaumentar sua temperatura em 1 C.

Exemplo: Para aquecer 250g de gua de 20oC para 80oC, teremos precisaremosde

250g x 80oC = 20.000 calorias de energia (caso no haja perdade energia para a vizinhana)

como 1 cal = 4,184 J

Ento so necessrios 83.680J de calor.

No sistema Ingls:

1 Btu = quantidade de calor que deve ser adicionada a uma libra de gua paraaumentar sua temperatura em 1oF.

Calor e Primeira Lei da TermodinmicaPrimeira Lei da Termodinamica:

Wsobre + Qsobre = (EC + EP + ET) = E

Ou seja, o trabalho realizado sobre um sistema somado ao calor adicionado aele igual variao na energia total do sistema. Mesma afirmao da lei deconservao de energia.

O trabalho realizado sobre um sistema tem sinal oposto do trabalho realizadoO trabalho realizado sobre um sistema tem sinal oposto do trabalho realizadopelo fluido, ou seja,

Wsobre = - Wpelo

Desta forma, uma outra expresso para a primeira lei da termodinmica seria:

Qsobre = E + Wpelo

O calor adicionado (Qsobre) ao sistema igual variao da energia total (E) dosistema, somado ao trabalho (Wpelo) realizado pelo sistema.


Bomba de ar:

Se a bomba bem isolada e o pisto empurrado para baixo, o trabalho realizado sobre o sistema, resultando emum aumento de temperatura:

Fig. 4-3, p. 100 (Livro de referncia)

um aumento de temperatura:

Wsobre = E + ET

Se a bomba deixada em repouso, o ardentro dela vai eventualmente esfriar; ocalor flui para a vizinhana mais fria e aenergia trmica diminui

Temperatura e CalorTemperatura uma propriedade de um corpo, tanto quanto sua cor ou suaforma. A temperatura no nos informa qual a quantidade de energia contidana substncia, j que independente da massa.

Do ponto de vista microscpico, a temperatura proporcional energia cinticamdia dos tomos daquele corpo.

Escalas de Temperatura:

-Escala Celsius: baseada no ponto de-Escala Celsius: baseada no ponto decongelamento da gua (0C) e de ebulio(100C) presso atmosfrica.

-Escala Fehrenheit: congelamento dagua (32F) e de ebulio (212F)

oF = 1,8oC + 32

-Escala Kelvin: escala absoluta detemperatura. Zero graus absoluto 0K (-273C).

K = C + 273

Tabela 4-2, p. 102 (Livro de referncia)

Temperatura e CalorRelao entre variao de temperaura e quantidade de calor:

Q = m c T

Q = quantidade de calor (J)

m = massa do corpo (Kg)

c = calor especfico da substncia (J/Kg.oC)

Tabela 4-1, p. 101 (livro de referncia)

Temperatura e Calor (Exemplos)Se os dois tijolos forem aquecidosem uma fornalha por vriashoras, eles possuiro a mesmatemperatura, mas o conjuntomaior conter nove vezes maisenergia do que o arranjo menor.

Fig. 4-4b, p. 103 (Livro de referncia)

Uma amostra de gua de 1lbarmazena aproximadamente cincovezes mais energia trmica do que1lb de rochas, pois a gua tem umcalor especfico maior.

Fig. 4-4a, p. 103 (Livro de referncia)

Temperatura e CalorQuando se adiciona calor a um corpo, sua temperatura no vai necessariamenteaumentar; pode ser que ocorra uma mudana de fase.

Fases da matria: slida, lquida ou gasosa.

Transies entre diferentes fases so acompanhadas pela absoro ou pelaliberao de calor.

Calor de vaporizao: quantidade de calor que deve ser adicionada a umlquido em seu ponto de ebulio, por unidade de massa, para convert-lolquido em seu ponto de ebulio, por unidade de massa, para convert-lototalmente em um gs na mesma temperatura.

Ex: para a gua = 540 cal/g ou 2.260 kJ/kg ou 970 Btu/lb.

Calor de fuso: quantidade de calor que deve ser adicionada a um slido, emseu ponto de fuso, por unidade de massa, para convert-lo totalmente em umlquido na mesma temperatura.

Ex: para a gua = 80 cal/g ou 335 kJ/kg ou 140 Btu/lb.

Calor latente de fuso ou calor latente de vaporizao: quantidade decalor necessria para causar uma mudana de fase.

Temperatura e Calor

Mudanas de fase para a gua Exemplo: qual o calor necessrio paraferver um litro (1kg) de gua partindo de20oC? Quanto calor necessrio paravaporizar totalmente essa quantidade degua?

Q = m c T = 1 kg x 4.186J/kg.oCx (100oC - 20oC)


x (100 C - 20 C)

Q = 334.000J = 334kJ

Para vaporizar a gua sero necessriosmais 2.260 kJ por Kg (Calor de vaporizaoda gua). Assim o calor necessrio total serde:

QT = 2.260kJ + 334kJ = 2.594kJ


Transferncia de calor:

- Uma das formas de se transferir energiapara um corpo (a outra maneira trabalho);

- Ocorre somente quando h diferena detemperatura entre os dois corpos;


temperatura entre os dois corpos;

- Ocorre mediante os processos de:

- Conduo;

- Conveco;

- Radiao.

Conduo: o calor transferido mediante colises moleculares do corpo quentepara o corpo frio. Uma molcula transfere energia colidindo com outro, que porsua vez colide com uma terceira molcula, e assim por diante, e o calor transferido por meio do material.

Taxa de transferncia de calor por conduo:

QC / t = calor transferido por conduo / tempo decorrido

QC / t = k . A . (T2 T1) /



C 2 1

k = condutividade trmica do material

A = rea da superfcie

T2 e T1 = Temperaturas de cada lado do material

= espessura do material


Porcentagem de energia economizada ao se diminuir o termostato de 72F paraos valores determinados nas linhas curvas, pelos perodos de tempo indicados.



Conveco: Em um gs ou lquido, as molculas esto muito distantes paraque o calor seja transferido de forma efetiva por conduo. Em fludos, o calor transferido principalmente mediante movimento do gs ou lquido.


A densidade de um fluido menor quando ele aquecido do que quando est frio, portanto, ediferena de densidade faz com o que o fluido maisquente ascenda, formando correntes de conveco.


Processos de conveco podem ocorrer:

- Naturalmente como resultado das diferenas dedensidade;

- Foradamente pelo uso de ventilador ou da presenado vento.

Janelas duplas so bastante eficientes na reduo daperda de energia pela conveco forada, pois seestabelece uma camada isolante de ar parado entreas duas vidraas.

Porm, alguma transferncia de calor por conveconatural vai ocorrer entre as vidraas, porque existeum vo de ar e uma diferena de temperaturaatravs dele.




A radiao solar transmitida atravs da cobertura devidro absorvida pela chapa preta de metalenrugada. O ar sob o vidro e em contato com ometal aquecido e sobe do coletor para substituir oar quente ascendente, criando correntes deconveco. Este aquecedor de janela pode elevar atemperatura de uma pequena sala em 10oF a 20oFem um dia ensolarado.

Radiao: Ao contrrio da conduo e da conveco, a transferncia de calorpor radiao no necessita de um meio para que haja propagao. A radiao emitida de um corpo na forma de ondas eletromagnticas, que consistem emcampos eltricos e magnticos cujas amplitudes variam com o tempo.

Essas ondas se propagam a partir do corpo com a velocidade da luz.

Exemplo de onda: Uma corda presa a um poste e movimentando para cima epara baixo.



V = x f

V = velocidade de propagao da onda (m/s)

= comprimento de onda (m)

f = frequncia de propagao da onda (Hz = ciclos por segundo)

Princpios de Transferncia de CalorDiferentes tipos de Radiao

- Possuem a mesma velocidade no vcuo a velocidade da luz, 3,0 x 108 m/s.

- A diferena est no comprimento de onda e sua frequncia.

Espectro Eletromagntico


Todos os corpos cuja temperatura est acima de 1.000oC, predomina a emisso de micro-ondas ou radiao infravermelha.

medida que a temperatura de um corpo aumenta acima de 1.000oC, uma parte daradiao passa a ser visvel.

proporo que a temperatura aumenta, as cores passam do vermelho ao violeta,fazendo com o que corpo parea ficar branco-azulado.

A quantidade de radiao emitida por um corpo a cada segundo proporcional a suatemperatura.



temperatura.

O espectro de radiao emitido pelosol e pela terra. As escalas verticaispara cada espectro so diferentes, jque a intensidade da radiao solar muitas vezes maior do que a da terra.

Princpios de Transferncia de CalorUm corpo est sempre perdendo energia porradiao, exatamente a mesma quantidade deenergia deve ser adicionada ao corpo para queele mantenha sua temperatura.

O corpo humano mantm uma temperaturainterna de equilbrio de 37oC. Em dias frios, ocorpo perde calor por radiao para a atmosferaou por conveco. A taxa de perda deaproximadamente 100W (350 Btu/h) para uma

Fig. 4-17, p. 114 (Livro de referncia)aproximadamente 100W (350 Btu/h) para umapessoa sentada.


Radiador de calor:

- A energia trmica conduzida da gua quentepara o ar por meio do metal em contato com oradiador.

- O movimento do ar mais quente atravs decorrentes de conveco espalha o calor pelasala.

- A energia trmica tambm transferida aosobjetos na sala pelo processo de radiao diretaa partir do radiador.

Mquinas TrmicasO Calor QH flui de uma fonte quente a umatemperatura TH para um sorvedouro frio a umatemperatura TC.

Parte dessa energia transformada em trabalho W.Como a energia conservada, o calor QH que deixa osistema igual ao calor QC que entra no sorvedouro,somado ao trabalho realizado pela mquina:

W = Q - Q


W = QH - QC

Quanto mais baixa for a temperatura do sorvedouro TCou quanto mais alta a temperatura da fonte TH, maistrabalho a mquina capaz de realizar.

A energia disponvel para realizar trabalho origina-sede uma reduo de temperatura do fluido de trabalho.

Caso o fluido seja descartado no ambiente, teremosum ciclo aberto, caso ele seja mandado de volta fonte de calor teremos um ciclo fechado.

Mquinas TrmicasTurbina a vapor

O fluido de trabalho nesse sistema de ciclofechado a gua, nos estados lquidos evapor.

O calor transferido do combustvel sendoqueimado para a gua na caldeira, elevandosua energia e transformando-a em vapor.

O calor movimenta as ps da turbina,O calor movimenta as ps da turbina,fornecendo parte de sua energia para girar oeixo.

No condensador, o vapor condensado paraa fase lquida, enquanto parte de suaenergia transferida para a gua que seresfria e parte liberada para o ambiente.

A gua , finalmente, bombeada a altapresso e retorna caldeira.


QH = W + QC

Calor que entra na usina = trabalho realizado + Calor lquido de sada

Mquinas TrmicasTipos de Mquinas Trmicas

As mquinas trmicas se caracterizam pelo tipo de ciclo a que o fluido de trabalho submetido.

Ciclo a Vapor ou Ciclo Rankine: Um ciclo em que o fluido de trabalho sofremudana de estado, como no circuito de uma turbina a vapor.

Ciclo a Gs: Geralmente o fluido um gs quente, que no deve ser confundidocom o combustvel gs natural. Motores de ciclo a gs podem ser de combusto

Tabela 4-3, p. 117 (Livro de referncia)

com o combustvel gs natural. Motores de ciclo a gs podem ser de combustointerna ou externa, o que depende de o combustvel ser queimado dentro ou forada cmara onde se produz potncia.

Ciclo a vapor ou RankineMquinas a vapor (usina eltrica, velhas locomotivas)

Refrigerador, bomba de calor (usando Freon)Ciclo a Gs

Combusto interna: Otto, ciclos a diesel (automveis, caminhes)Combusto externa: turbina a gs (avies, usina eltrica) ciclo Stirling

Converso de Energia Trmica do Oceano (Otec): um tipo de ciclo que utiliza as guassuperficiais mornas para ferver a amnia. O vapor de amnia movimenta ento uma turbinaque aciona um gerador eltrico.

As guas frias profundas condensam a amnia a um lquido, que bombeado de volta caldeira. O efluente quente do condensador pode ser usado em criao de peixes ou emplantao de vegetais.

A diferena de temperatura nessa turbina poderia ser 25oC - 5oC = 20oC. Com um T topequeno, a eficincia global da Otec muito pequena (3% - 4%). Assim para produzir maispotncia, a usina tem de movimentar uma grande quantidade de gua, sendo que boa parte

Mquinas Trmicas


potncia, a usina tem de movimentar uma grande quantidade de gua, sendo que boa parteda potncia gerada utilizada para operar bombas.

Segunda Lei da TermodinmicaA segunda lei afirma que, para qualquer processo espontneo, a entropiade um sistema pode apenas aumentar ou permanecer igual, mas nuncadiminuir.

Entropia: uma medida de desordem de um sistema. Portanto, umapropriedade do sistema.

Afirmaes da Segunda Lei da Termodinmica

1. O calor somente pode fluir espontaneamente de uma fonte quente para uma1. O calor somente pode fluir espontaneamente de uma fonte quente para umafonte fria.

2. Nenhuma mquina trmica, na qual a fonte de calor seja transformadainteiramente em trabalho, pode ser construda. Parte do calor deve serdescartada para um sorvedouro temperatura mais baixa.

Fig. 4-21a, p. 119 (Livro de referncia) Fig. 4-21b, p. 119 (Livro de referncia)

Segunda Lei da TermodinmicaEficincia Energtica.

Eficincia = (trabalho til na sada / energia na entrada) x 100%

Como,

trabalho til na sada = calor que entra calor que sai

Ento,

Eficincia = ((calor que entra calor que sai) / calor que entra) x 100%Eficincia = ((calor que entra calor que sai) / calor que entra) x 100%

Eficincia = (1 calor que sai/calor que entra) x 100%

Se uma parte do calor transferida para um sorvedouro frio, como exige asegunda lei, ento a expresso nos diz que jamais teremos um sistema com 100%de eficincia.

Portanto, jamais teremos mquinas de movimento perptuo.

Segunda Lei da TermodinmicaEficincia Mxima.

Qual a mxima temperatura que podemos obter utilizando uma fonte quente detemperatura TH e um sorvedouro frio a uma temperatura TC?

Sadi Carnot (engenheiro francs) mostrou que, para uma mquina ideal, aeficincia mxima possvel operando uma caldeira temperatura TH e umsorvedouro frio ou condensador a uma temperatura TC dada por:

Eficincia Mxima (Carnot) = (1 T / T ) x 100%Eficincia Mxima (Carnot) = (1 TC / TH) x 100%

= ((TH TC)/TC) x 100%

Obs: Para que esta equao esteja correta, as temperaturas devem ser expressas na escalaabsoluta ou Kelvin. Lembre-se que K = oC + 273.

Da expresso para a eficincia podemos deduzir que deveramos buscar o uso detemperaturas mais extremas possveis para operar uma mquina trmica com maiseficincia.

Um dos maiores avanos no desenvolvimento da mquina a vapor foi a adio de umcondensador de baixa temperatura por James Watt.

Segunda Lei da TermodinmicaO Caso Ideal: Reversibilidade.

A eficincia mxima de um processo de converso de energia atingida quando oprocesso completamente reversvel, ou seja, o processo reverso possvel deacordo com a segunda lei (um processo em que isto no possvel chamado deirreversvel).

Um processo ideal reversvel, mas no vivemos num mundo ideal, e, portanto,no observamos tais processos, embora tentemos maximizar o grau deno observamos tais processos, embora tentemos maximizar o grau dereversibilidade.

Em um processo reversvel, a entropia permanece constante: no h aumentolquido na desordem do sistema.

A energia mecnica de uma mola uma combinao de energia cintica epotencial, e conhecida em cada posio. No mundo real, a desordem aumenta medida que a energia trmica transferida para as molculas da mola e davizinhana.

Segunda Lei da TermodinmicaEnergia Disponvel

Sabemos pela primeira lei, que a energia conservada. Entretanto, no aquantidade de energia do mundo que est diminuindo, e sim sua capacidade edisponibilidade para realizar trabalho.

Em qualquer processo que consumir energia de alta qualidade de um reservatrioquente, ou a energia mecnica de uma mola comprimida, convertida em energiatrmica, h uma degradao da disponibilidade de energia. Como o calor flui doreservatrio quente para o frio, atinge-se, com o tempo, o ponto em que ambosreservatrio quente para o frio, atinge-se, com o tempo, o ponto em que ambostm a mesma temperatura, e o trabalho til no pode mais ser obtido.

Outra forma de expressar a segunda lei:

impossvel converter uma dada quantidade de energia trmica totalmente emtrabalho. Em um processo de converso de energia, a qualidade da energia sempre degradada, e sua capacidade de realizar trabalho, consequentemente,reduzida.

No a conservao de energia que importante, mas com quanta eficincia aenergia pode ser utilizada para produzir um resultado final com o menor consumode combustvel.

Obrigado!

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