A Termodinâmica é, de entre as grandes áreas científicas e técnicas, uma área-mãe por excelência visto que suporta a problemática da conversão energética calor vs. trabalho ou energia térmica-energia mecânica e constitui o lastro das ciências da vida.
No presente contexto de um manual de Termodinâmica dirigido especialmente aos alunos de Engenharia Mecânica, valorizam-se os princípios básicos e estrutura-se a conceptualização e a estratégia da utilização da Termodinâmica em torno da noção de sistema e das suas interações com a referência que é o ambiente.
Certamente que a Termodinâmica, nesse contexto, elabora nas máquinas térmicas como ciclos específicos que respondem às necessidades do homem na sua senda histórica, desde a manipulação do fogo e do conforto habitacional, passando pela máquina a vapor (séc. XVIII) e a máquina frigorífica e os motores térmicos, verdadeiros suportes do desenvolvimento da segunda Era Industrial.
Especialmente orientado para a formação de alunos de engenharia mecânica, serve de alicerce a muitas áreas das ciências térmicas, tais como transferência de calor, mecânica dos fluídos, máquinas térmicas, química, combustão e ciência dos materiais, entre outras. Existem numerosos textos sobre esta temática, o que poderá tornar difícil por parte dos leitores a escolha. Pretende-se com este livro que todos os conceitos relevantes da Termodinâmica sejam englobados de forma sistemática num único texto coerente que possa servir para os cursos de engenharia e de física, quer do segundo, quer do terceiro ciclo.
AGRADECIMENTOS
PREFÁCIO À SEGUNDA EDIÇÃO
NOMENCLATURA
1. INTRODUÇÃO
1.1. NOTA INTRODUTÓRIA
1.2. OBJETIVO DA TERMODINÂMICA
2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS
2.1. DEFINIÇÃO DE TERMODINÂMICA
2.2. SISTEMA TERMODINÂMICO, VIZINHANÇA, FRONTEIRA
2.2.1. Tipos de Sistemas
2.2.2. Tipos de Fronteira
2.3. PROPRIEDADES, ESTADO, EQUAÇÕES DE ESTADO E TRANSFORMAÇÕES
2.3.1. Propriedades
2.3.2. Estado e Equações de Estado
2.3.3. Transformação
2.4. FASE
2.5. EQUILÍBRIO
2.6. REVERSIBILIDADE
3. ENERGIA
3.1. INTRODUÇÃO
3.2. ENERGIA DE UM SISTEMA SOB O PONTO DE VISTA MICROSCÓPICO
3.3. ENERGIA DE UM SISTEMA SOB O PONTO DE VISTA MACROSCÓPICO
3.4. MEDIÇÃO DA PROPRIEDADE ENERGIA
3.5. TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
3.5.1. Trabalho de Fronteira
3.5.2. Trabalho de um Ciclo
3.5.3. Trabalho ao Veio
3.5.4. Outras Formas de Trabalho
3.5.5. Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica
3.5.6. Calor
3.5.7. Comparação entre Trabalho e Calor
3.6. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
4. PROPRIEDADES DE SUBSTÂNCIAS PURAS, SIMPLES E COMPRESSÍVEIS
4.1. INTRODUÇÃO
4.2. SUBSTÂNCIA PURA, SIMPLES E COMPRESSÍVEL
4.3. COMPORTAMENTO DE UMA SUBSTÂNCIA PURA, SIMPLES E COMPRESSÍVEL NA FASE LÍQUIDA E DE VAPOR
4.3.1. Superfície p-v-T
4.3.2. Tabelas Termodinâmicas
4.3.3. Título
4.4. EQUAÇÕES DE ESTADO
4.4.1. Gases Perfeitos
4.4.2. Gás Perfeito versus Vapor Sobreaquecido
4.4.3. Equação de Van der Waals
4.4.4. Equação de Clausius
4.4.5. Equação de Redlich-Kwong
4.4.6. Equação de Battie-Bridgeman
4.4.7. Equação de Benedict-Webb-Rubin
4.4.8. Equação de Martin e Hou
4.4.9. Equações de Estado Viriais
4.4.10. Princípio dos Estados Correspondentes
4.4.11. Considerações Finais sobre as Equações de Estado
4.5. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
4.6. ANEXO
5. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
5.1. INTRODUÇÃO
5.2. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
5.3. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA – CICLOS
5.4. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA APLICADA A SISTEMAS FECHADOS
5.4.1. Primeira Lei da Termodinâmica – Sistemas Fechados
5.4.2. Consequências da Primeira Lei da Termodinâmica
5.4.3. Primeira Lei da Termodinâmica em Termos de Potência
5.4.4. Propriedade Termodinâmica Entalpia
5.4.5. Calores Específicos
5.4.6. Energia Interna, Entalpia e Calores Específicos de Gases Perfeitos
5.4.7. Tabelas de Gases Perfeitos
5.4.8. Relações entre p, v e T de Gases Perfeitos
5.4.9. Primeira Lei da Termodinâmica Aplicada a Processos Politrópicos que envolvam Gases Perfeitos
5.4.10. Calores Específicos de Substâncias Incompressíveis
5.5. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA APLICADA A PROCESSOS – SISTEMAS ABERTOS
5.5.1. Princípio da Conservação da Massa
5.5.2 Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a Sistemas Abertos
5.5.3. Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a Sistemas Abertos, Regime Permanente
5.5.4. Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a Sistemas Abertos, Regime Transitório
5.6. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
6. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
6.1. INTRODUÇÃO
6.2. SENTIDO DE OCORRÊNCIA DE PROCESSOS ESPONTÂNEOS
6.3. OUTROS ASPETOS ASSOCIADOS À SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
6.4. RESERVATÓRIOS DE ENERGIA TÉRMICA
6.5. MÁQUINAS TÉRMICAS MOTORAS
6.6. MÁQUINAS TÉRMICAS INVERSAS
6.7. EFICIÊNCIA TÉRMICA
6.8. ENUNCIADOS DA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
6.8.1. Enunciado de Kelvin-Planck
6.8.2. Enunciado de Clausius
6.8.3. Equivalência dos Enunciados de Kelvin-Planck e de Clausius
6.9. PROCESSOS REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS
6.9.1. Atrito
6.9.2. Transferência de Calor com Diferença Finita de Temperaturas
6.9.3. Expansão ou Compressão em Processos de Não Equilíbrio
6.9.4. Expansão Irresistida
6.9.5. Processos Interna e Externamente Reversíveis
6.10. CICLO DE CARNOT
6.11. COROLÁRIOS DO CICLO DE CARNOT
6.12. ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURAS
6.13. EFICIÊNCIA DAS MÁQUINAS DE CARNOT
6.14. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
7. ENTROPIA
7.1. INTRODUÇÃO
7.2. DESIGUALDADE DE CLAUSIUS
7.3. ENTROPIA
7.3.1. Relações TdS
7.3.2. Entropia de Substâncias Puras Simples e Compressíveis
7.3.3. Variação de Entropia de Processos Irreversíveis 224
7.4. PRINCÍPIO DO AUMENTO DA ENTROPIA 227
7.4.1. Balanço Entrópico de Sistemas Fechados 230
7.4.2. Balanço Entrópico de Sistemas Abertos 234
7.5. RENDIMENTO ISENTRÓPICO DE EQUIPAMENTOS (sistemas abertos) 238
7.6. TRABALHO DE SISTEMAS ABERTOS 240
7.7. TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 242
7.8. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
8. EXERGIA 257
8.1. INTRODUÇÃO 259
8.2. CARACTERÍSTICAS DAS FORMAS ORGANIZADAS E
DESORGANIZADAS DE ENERGIA 259
8.3. ESTADO DE REFERÊNCIA 261
8.4. EXERGIA DE UM VOLUME DE CONTROLO 263
8.4.1. Exergia Associada ao Trabalho 263
8.4.2. Exergia Associada ao Calor 263
8.4.3. Exergia Associada a um Fluxo de Massa 267
8.5. EXERGIA DE UM SISTEMA FECHADO 270
8.6. IRREVERSIBILIDADES E BALANÇOS EXERGÉTICOS DE SISTEMAS 272
8.6.1. Balanço Exergético de um Sistema Fechado 274
8.6.2. Balanço Exergético de um Sistema Aberto 276
8.7. RENDIMENTO EXERGÉTICO DE MÁQUINAS TÉRMICAS 277
8.8. RENDIMENTO EXERGÉTICO DE EQUIPAMENTOS QUE
OPEREM EM REGIME PERMANENTE 282
8.9. OS 3 E’s – ENERGIA, ENTROPIA E EXERGIA 284
8.10. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
9. RELAÇÕES TERMODINÂMICAS 291
9.1. INTRODUÇÃO 293
9.2. DIFERENCIAIS EXATOS 293
9.3. RELAÇÕES DE MAXWELL 299
9.4. RELAÇÕES TERMODINÂMICAS QUE ENVOLVAM A
ENERGIA INTERNA, ENTALPIA E ENTROPIA 302
9.5. EQUAÇÃO DE CLAPEYRON – MUDANÇA DE FASE E EQUILÍBRIO 307
9.6. OUTRAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 311
9.7. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
10. SISTEMAS DE CONVERSÃO DE ENERGIA
10.1. INTRODUÇÃO
10.2. MÁQUINAS TÉRMICAS MOTORAS
10.2.1. Rendimento Termodinâmico
10.2.2. Razão de Trabalho
10.2.3. Consumo Específico de Vapor ou de Gás
10.3. CICLOS TERMODINÂMICOS MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA
10.3.1. Ciclo de Carnot
10.3.2. Ciclo de Rankine Simples
10.3.3. Ciclo Rankine com Sobreaquecimento
10.3.4. Ciclo Rankine com Reaquecimento
10.3.5. Ciclo Rankine Regenerativo
10.3.6. Ciclo Rankine Orgânico e Binário
10.4. CICLOS TERMODINÂMICOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
10.4.1. Ciclo Joule-Brayton Simples
10.4.2. Ciclo Joule-Brayton Regenerativo
10.4.3. Ciclo Joule-Brayton com Compressão e Expansão por Andares
10.4.4. Ciclo Otto
10.4.5. Ciclo Diesel
10.4.6. Ciclo Sabathié ou Misto
10.4.7. Ciclo Stirling
10.4.8. Pressão Média Efetiva
10.5. CICLOS COMBINADOS DE VAPOR E DE GÁS
10.6. CICLOS FRIGORÍFICOS
10.6.1. Ciclo Frigorífico de Carnot
10.6.2. Ciclo Frigorífico de Compressão de Vapor
10.6.3. Ciclo Frigorífico de Compressão de Vapor Real
10.6.4. Ciclos Frigoríficos com Compressão por Andares
10.6.5. Ciclos Frigoríficos com Expansão por Andares
10.6.6. Sistemas em Cascata
10.6.7. Fluidos Frigorigéneos
10.6.7.1. Designação e Grupos dos Fluidos Frigorigéneos
10.6.7.2. Características de um Fluido Frigorigéneo Ideal
10.6.7.3. Fluidos Frigorigéneos e o Meio Ambiente
10.6.8. Ciclos de Absorção
10.7. BOMBAS DE CALOR
10.8. OUTROS SISTEMAS PRODUTORES DE ELETRICIDADE
10.9. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
11. COGERAÇÃO
11.1. INTRODUÇÃO
11.2. COGERAÇÃO IDEAL
11.3. ÍNDICES DE DESEMPENHO
11.4. EXEMPLOS DE CENTRAIS DE COGERAÇÃO
11.4.1. Sistema base: Ciclo de Rankine
11.4.2. Sistema base: Ciclo de Joule-Brayton
11.4.3. Sistema base: Ciclo Motores Alternativos
11.4.4. Sistema base: Ciclo Combinado
11.5. TRIGERAÇÃO
11.6. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
12. MISTURAS GASOSAS NÃO REATIVAS
12.1. INTRODUÇÃO
12.2. COMPOSIÇÃO DE UMA MISTURA GASOSA
12.3. LEIS DAS MISTURAS GASOSA
12.3.1. Lei de Gibbs-Dalton
12.3.2. Equação de Estado de uma Mistura de Gases Perfeitos
12.3.3. Lei de Amagat
12.3.4. Relação entre as Frações Molar, Volúmica e Mássica
12.4. IRREVERSIBILIDADE DO PROCESSO DE MISTURA
12.5. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
13. PSICROMETRIA
13.1. INTRODUÇÃO
13.2. AR HÚMIDO
13.3. QUANTIFICAÇÃO DO TEOR DE VAPOR DE ÁGUA NO AR HÚMIDO
13.3.1. Humidade absoluta
13.3.2. Humidade Relativa
13.3.3. Ponto de Orvalho
13.4. PROPRIEDADES DO AR HÚMIDO
13.4.1. Massa Volúmica
13.4.2. Volume Específico
13.4.3. Entalpia
13.4.4. Temperatura Adiabática de Saturação e Temperatura de Bolbo Húmido
13.5. CARTAS PSICROMÉTRICAS
13.5.1. Desenvolvimento das Cartas Psicrométricas
13.5.2. Diagramas Psicrométricos
13.5.3. Processos Elementares com Ar Húmido
13.5.4. Aquecimento ou Arrefecimento Sensível
13.5.5. Aquecimento e Humidificação
13.5.6. Humidificação
13.5.7. Arrefecimento com Desumidificação
13.5.8. Mistura Adiabática de Dois Fluxos
13.6. SISTEMAS QUE ENVOLVEM PROCESSOS ELEMENTARES DE PSICROMETRIA
13.6.1. Condicionamento de Ar
13.6.2. Torres de Arrefecimento
13.6.3. Processo de Compressão de Ar
13.7. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
14. REAÇÕES QUÍMICAS
14.1. INTRODUÇÃO
14.2. COMBUSTÃO
14.3. PROCESSO DE COMBUSTÃO
14.4. ENTALPIAS DE REAÇÃO, DE COMBUSTÃO E DE FORMAÇÃO
14.5. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
14.6. TEMPERATURA ADIABÁTICA DE CHAMA
14.7. BALANÇO ENTRÓPICO DE SISTEMAS REATIVOS
14.8. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
BIBLIOGRAFIA
REFERÊNCIAS
ÍNDICE DE FIGURAS
ÍNDICE DE TABELAS
ÍNDICE REMISSIVO
Clito Afonso
Professor Associado com Agregação no Departamento de Engenharia Mecânica (DEMec) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), tendo iniciado a atividade como Assistente Eventual em 1978, ano da sua Licenciatura. Concluiu o Mestrado em Engenharia Térmica em 1986 e o Doutoramento em Engenharia Mecânica em 1989, na mesma escola. Prestou provas para a Agregação em Engenharia Mecânica no ano de 2004. Fez toda a carreira docente, de investigação e consultoria industrial no DEMec, IDMEC – pólo FEUP – e INEGI. É regente de várias unidades curriculares na área da termodinâmica aplicada, ventilação e sistemas frigoríficos do primeiro, segundo e terceiro ciclos. Foi, e é, responsável/investigador de vários projetos inovadores de I&D de âmbito Nacional (FCT) e internacional (EU), incindindo nas áreas científicas citadas, com particular destaque nos sistemas frigoríficos. Faz parte do Conselho Consultivo do Organismo de Certificação de Pessoas (OCP) do Centro Tecnológico para a Indústria Térmica, Energia e Ambiente (CENTERM), é membro do quadro de diretores da World Society of Sustainable Energy Tecnologies (WSSET) e pertence à Sociedade Espanhola de Ciências e Técnicas do Frio (SECYTF).