07/04/2015
Campus Experimental de Sorocaba
Recursos Energéticos e Meio Ambiente
Professor Sandro Donnini Mancini
4 - Mecânica e Termodinâmica da Energia
Sorocaba, Março de 2015
Formas de Energia
Energia Elétrica
Energia Nuclear
Energia Química (carvão, óleo, gás)
Energia Radiante (principalmente solar)
Energia Térmica
Energia Mecânica (cinética e potencial)
E=
mv 2
2
E = mgh
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Geralmente, para os usos finais da energia ocorrem um ou mais
processos de Conversão de Energia – quando energia disponível
não é igual à energia desejada
Eficiência (%): (energia produzida / total de energia inicial) x 100
Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e
Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e
L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003
Perda (%) = 100 – Eficiência (%)
Percentual da energia inicial que foi transformada em outros
tipos de energia não aproveitada pelo sistema
calor, barulho...
Energia : a capacidade de realizar trabalho
Potência: fluxo de energia
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Leis da Termodinâmica
“Lei Zero”:
Se dois corpos A e B estão cada um em equilíbrio térmico com
um terceiro corpo C, então eles estão em equilíbrio térmico
entre si.
(na prática, introduziu o conceito de temperatura, necessário para as duas leis)
“1ª Lei”
O calor Q recebido por um sistema é igual à soma entre a
variação da energia interna ∆U do sistema e o trabalho W
efetuado pelo sistema
Q = ∆U + W
De outra forma, escreve-se o Princípio da Conservação de Energia: “a quantidade
total de energia em um sistema isolado permanecerá sempre constante”. Q e W as
são duas formas de se transferir energia para um corpo. A energia colocada num
sistema (Q) é igual a energia que sai dele (W) mais a que foi armazenada.
Calor = energia em trânsito (manifestação da interação do corpo com a vizinhança)
Q = mc∆T
(m = massa, c=calor específico, ∆T =variação de temperatura)
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“2a Lei”
Para qualquer processo espontâneo, a entropia de um sistema
pode apenas aumentar ou permanecer igual, nunca diminuir.
Transferência de Calor
Condução
Do corpo quente para o frio, por meio de colisões moleculares,
o que leva um determinado tempo.
Q k . A.(T2 − T1 )
=
t
∂
onde K=condutividade, A=área e δ=espessura
Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e
Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e
L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003
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Condutividade térmica de alguns materiais usados em
construção civil
Material
Argila
Cimento de amianto
Cimento comum
Concreto comum
Gipsita
PVC
Lã de Vidro
Isopor
Madeira
Aço
Alumínio
Cobre
Ar
Água
Uso
Tijolo, telha, lajes
Telha de fibrocimento
Concreto, reboque
Fundações, lajes
Gesso
Lajes, pisos
Revestimentos
Lajes, revestimentos
Forros, paredes
Estruturas
Esquadrias
Fios e cabos
Condutividade (W/m.K)
0,7
0,35 a 0,7
0,9
2
0,5
0,2
0,04
0,035
0,08 – 0,3
52
204
372
0,023
0,58
http://www.protolab.com.br/Tabela-Condutividade-Material-Construcao.htm
Convecção
Transferência de calor típica para fluidos (gases e líquidos)
onde as moléculas estão distantes para a transferência de
calor por contato (condução).
Quanto maior a T de um fluido menor a densidade (ocupa
volume maior com a mesma massa). Mais leve, o fluido tende a
subir enquanto fluidos mais frios (mais densos) tendem a
descer.
Disponível em http://www.bibvirt.futuro.usp.br
/textos/biologicas/ciencias/tc2000/cie1g45.pdf. Acesso em 9.01.2004
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Radiação
Não necessita de um meio para propagação. Uma onda
eletromagnética incide num corpo e é transformada em calor.
Todos os corpos emitem radiação (abaixo de 1.000oC,
principalmente IV e microondas).
Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers – 3aEd. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, 1992. 793p.
Máquinas Térmicas
Dispositivos onde o calor é convertido em trabalho útil
Calor = energia que passa de um corpo quando há ∆T entre eles
Fonte
(combustível queimado,
sol ou fissão nuclear)
Fluido de Trabalho
(líquido e/ou gás)
Exemplos de Máquinas Térmicas:
usinas termelétricas;
usinas termonucleares
automóveis
Geladeira
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Geladeirahttp://www.youtube.com/watch?v=BFt-Q7XvAxc&hd=1 ; http://www.youtube.com/watch?v=qrcEWhurQl4
Baseada no fato que a expansão de um fluido resulta na queda de sua
temperatura. Melhor que o fluido esteja no estado líquido pois sua
densidade é maior (mais fluido para trocar calor).
1) compressão do fluido de trabalho que está na forma gasosa
( ↑ P ↑ T );
2) condensação do fluido na serpentina de fora (condensador);
3) Descompressão e vaporização na serpentina de dentro, que esfria
tirando o calor do ar que está próximo, dentro da geladeira
(vaporizador);
Dentro da geladeira: movimentos convectivos do ar que esfriou.
Fluidos de trabalho de equipamentos de refrigeração:
Até 1930 - SO2 e principalmente Amônia;
1931 a ~1990 – CFCs (freon);
1990 até hoje - ↓ CFCs, ↑ HFC / Isobutano !!!!
serpentina de dentro
(freezer)
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