Termodinâmica para Engenheiros by Cengage Brasil

Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

Termodinâmica para engenheiros Tradução da 1a edição norte-americana

Esta obra apresenta uma introdução à termodinâmica, envolvendo armazenamento, transferência e transformação de energia. Fornece os conceitos básicos e habilidades para a resolução de problemas que são posteriormente utilizados em mecânica dos fluidos, transferência de calor e no projeto de sistemas termofluidos.

Termodinâmica para engenheiros

Formatado para um curso de ciências térmicas para estudantes de engenharia, Termodinâmica para engenheiros concentra-se em fornecer uma visão de como a termodinâmica pode ser usada para explicar exemplos de fenômenos cotidianos. Apresenta muitos exemplos práticos e grande variedade de problemas como tarefa para desenvolver configurações e soluções adequadas. O texto apresenta ainda uma abordagem atualizada e didática e utiliza muitos recursos gráficos, como fotos, tabelas, ilustrações e figuras para exemplificar com clareza o conteúdo estudado. APLICAÇÕES Obra destinada às disciplinas relacionadas às áreas térmicas, especialmente Termodinâmica I e II, dos cursos de engenharias. Poderá ser utilizado também como bibliografia complementar nas disciplinas mais aplicadas, como máquinas térmicas, motores de combustão interna, sistemas frigoríficos, trocadores de calor, máquinas hidráulicas entre outras.

Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter

Termodinâmica para engenheiros Tradução da 1a edição norte-americana OUTRAS OBRAS Física para cientistas e engenheiros – Volume 2: Oscilações, ondas e termodinâmica Tradução da 8ª edição norte-americana John W. Jewett, Jr. Raymond A. Serway

Princípios de física – Volume 2: Oscilações, ondas e termodinâmica

Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.

Tradução da 5ª edição norte-americana Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr.

Princípios de transferência de calor

ISBN 13 978-85-221-2198-4 ISBN 10 85-221-2198-2

Tradução da 7ª edição norte-americana Frank Kreith Raj M. Manglik Mark S. Bohn

Termodinâmica Merle C. Potter Elaine P. Scott

Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br

9 788522 121984

Termodinâmica para engenheiros Tradução da 1a edição norte-americana

Kenneth A. Kroos Villanova University

Merle C. Potter Michigan State University

Tradução Noveritis do Brasil Revisão técnica Fernando Guimarães Aguiar

Professor adjunto no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São Carlos. Leciona a disciplina Trocadores de Calor.

Edição original em SI adaptada por Shaligram Tiwari Indian Institute of Technology Madras

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

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Sumário Parte 1 – Conceitos e leis básicas 1 Capítulo 1 – Conceitos básicos e sistemas de unidades 3 1.1 Introdução 5 1.1.1 O que é termodinâmica?

1.1.2 Como usamos a termodinâmica?

1.1.3 Como os engenheiros utilizam a termodinâmica? 1.1.4 Qual é a história da termodinâmica?

1.1.5 Qual é o futuro da termodinâmica? 6 1.1.6 Quais são os conceitos e premissas fundamentais? 1.1.7 Quais são as fases da matéria?

1.2 Dimensões e unidades 9 1.2.1 O sistema SI

1.2.2 O sistema inglês 11

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio

1.3.1 Propriedades e estado de um sistema

1.3.2 Densidade e volume específico

1.3.3 Processos e equilíbrio 15

1.4 Pressão

1.4.1 O que é pressão?

1.4.2 Pressão absoluta e manométrica

1.4.3 Unidades de pressão 18 1.4.4 Dispositivos de medição de pressão

1.5 Temperatura

1.5.1 O que é temperatura? 21 1.5.2 Escalas de temperatura absoluta e relativa 1.5.3 Medição de temperatura

1.6 Energia

1.7 Resumo

Problemas Questões práticas FE Exam 29

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VIII Sumário

Capítulo 2 – Propriedades de substâncias puras 35 2.1 Fases de uma substância

2.1.1 Processo de mudança de fase

2.1.2 Título e cálculos de líquido comprimido

2.1.3 Vapor superaquecido 44 2.1.4 Propriedades utilizando a Calculadora de Propriedades IRC 2.1.5 Diagramas de fase

2.2 Energia interna e entalpia

2.2.1 Energia interna 52 2.2.2 Entalpia 53 2.2.3 Energia interna e entalpia para líquidos e sólidos 2.2.4 Calor latente

2.3 Refrigerantes

2.4 Lei do gás ideal 59 2.5 Equações de estado de gás real

2.6 Energia interna e entalpia do gás ideal 63 2.7 Calores específicos de líquidose sólidos 68 2.8 Resumo

Problemas Questões práticas FE Exam 70 Capítulo 3 – A primeira lei para sistemas 3.1 Trabalho

3.1.1 Definição e unidades 80 3.1.2 Trabalho devido à pressão

3.1.3 Outras formas de trabalho

3.2 Transferência de calor 86 3.3 Método de resolução de problemas

3.4 Primeira lei aplicada aos sistemas 90 3.5 Primeira lei aplicada a diversos processos

3.5.1 Processo a volume constante 93 3.5.2 Processo a pressão constante 94

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Sumário

3.5.3 Processo a temperatura constante 96 3.5.4 Processo adiabático

3.5.5 Processo politrópico

100

3.6 Ciclos 102 3.7 Resumo

103

Problemas Questões práticas FE Exam 104 Capítulo 4 – A primeira lei aplicada aos volumes de controle 115 4.1 A conservação da massa para volumes de controle 118 4.1.1 Informações básicas

118

4.1.2 Equação de continuidade

119

4.2 Primeira lei para volumes de controle 124 4.2.1 Turbinas, compressores e bombas 126 4.2.2 Dispositivos de estrangulamento 4.2.3 Câmaras de mistura

133

4.2.4 Trocadores de calor

135

4.2.5 Bocais e difusores

139

131

4.3 Escoamento transiente 141 4.4 Dispositivos combinados em ciclos 4.4.1 Ciclo Rankine

144

145

4.4.2 Ciclo de refrigeração 147 4.4.3 Ciclo Brayton

4.5 Resumo

149

151

Problemas Questões práticas FE Exam 153 Capítulo 5 – A segunda lei da termodinâmica 5.1 Conceitos da segunda lei

165

166

5.2 Enunciados da segunda lei da termodinâmica

168

5.2.1 Enunciado de Kelvin-Planck – máquinas térmicas 168 5.2.2 Enunciado de Clausius – refrigeradores

5.3 Parâmetros de desempenho de ciclos

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169

171

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Sumário

5.3.1 Máquina térmica

171

5.3.2 Ciclo de refrigeração

172

5.4 Ciclo de Carnot 175 5.5 Resumo

180

Problemas Questões práticas FE Exam 181 Capítulo 6 – Entropia 187 6.1 Desigualdade de Clausius 6.2 Entropia

189

191

6.3 Variação de entropia em substâncias para sistemas 6.3.1 Relações básicas

193

6.3.2 Variação de entropia de um gás ideal com Cp e Cv constante 194 6.3.3 Variação de entropia de um sólido, um líquido e um reservatório

197

6.3.4 Variação de entropia de uma substância com mudança de fase

199

6.3.5 Variação de entropia de um gás ideal com calores específicos variáveis 201

6.4 Variação de entropia para volume de controle

204

6.5 Eficiência isentrópica 208 6.5.1 Eficiência da turbina isentrópica

208

6.5.2 Eficiência do compressor isentrópico 6.5.3 Eficiência da bomba

209

210

6.5.4 Eficiência isentrópica de um bocal 211

6.6 Exergia (disponibilidade) e irreversibilidade 213 6.7 Resumo

219

Problemas Questões práticas FE Exam 221 Capítulo 7 – Relações termodinâmicas 231 7.1 As relações de Maxwell

232

7.2 A equação de Clapeyron

235

7.3 Relações para energia interna, entalpia, entropia e calores específicos 238

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Sumário

7.4 O coeficiente de Joule–Thomson 243 7.5 Efeitos de gás real 7.6 Resumo

245

248

Problemas Questões práticas FE Exam 250

Parte 2 – Aplicações 255 Capítulo 8 – O ciclo de potência Rankine 8.1 Energia sustentável

257

259

8.2 O ciclo Rankine 259 8.2.1 Configuração e componentes básicos

259

8.2.2 Aprimoramentos na eficiência do ciclo Rankine 265

8.3 Ciclos Rankine modificados 269 8.3.1 O ciclo Rankine com reaquecimento ideal 269 8.3.2 O ciclo Rankine regenerativo ideal 271 8.3.3 Um ciclo Rankine ideal regenerativo combinado com reaquecimento 274

8.4 Ciclos de cogeração

276

8.5 Perdas nas usinas 279 8.6 Resumo

281

Problemas Questões práticas FE Exam 282 Capítulo 9 – Ciclos de potência a gás 291 9.1 Análise de ar padrão 293 9.2 Terminologia para motor alternativo

295

9.3 O ciclo Otto 297 9.3.1 O ciclo Otto de quatro tempos

297

9.3.2 Análise do ciclo Otto 299 9.3.3 Motor do ciclo Otto de dois tempos 9.3.4 O motor de Wankel

9.4 O ciclo diesel

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302

304

305

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XII

Sumário

9.5 Outros ciclos de potência a gás 9.5.1 O ciclo dual

309

310

9.5.2 Os ciclos Stirling e Ericsson 312

9.6 O ciclo Brayton

315

9.6.1 O ciclo Brayton com aquecimento regenerativo 320 9.6.2 O ciclo Brayton com regeneração, inter-resfriamento e reaquecimento 322 9.6.3 O motor turbojato

324

9.7 O ciclo combinado Brayton–Rankine 9.8 Resumo

325

328

Problemas Questões práticas FE Exam 329 Capítulo 10 – Ciclos de refrigeração

337

10.1 O ciclo de refrigeração por compressão de vapor 338 10.1.1 Terminologia do ciclo de refrigeração 10.1.2 O ciclo de refrigeração ideal

340

10.1.3 Um ciclo de refrigeração real

342

10.1.4 Bombas de calor

338

343

10.1.5 Refrigerantes 345

10.2 Sistemas de refrigeração em cascata 346 10.3 Refrigeração por absorção 348 10.4 Sistemas de refrigeração a gás 10.5 Resumo

349

351

Problemas Questões práticas FE Exam 352 Capítulo 11 – Misturas e psicrometria 357 11.1 Misturas de gás 359 11.1.1 Definições e terminologia 359 11.1.2 As leis de Amagat e de Dalton

361

11.2 Misturas de ar-vapor e psicrometria

365

11.2.1 Terminologia e definições 366

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Sumário XIII

11.2.2 Temperatura de saturação adiabática

368

11.2.3 Psicrometria 370

11.3 Processos de ar-condicionado 11.4 Resumo

373

380

Problemas Questões práticas FE Exam 382 Capítulo 12 – Combustão 389 12.1 Introdução

391

12.2 Reações de combustão

392

12.3 A entalpia de formação e a entalpia de combustão 12.4 Temperatura de chama

399

407

12.5 Reações de equilíbrio 412 12.6 Resumo

415

Problemas Questões práticas FE Exam 416

Parte 3 – Tópicos contemporâneos 423 Capítulo 13 – Conversão de energia alternativa 425 13.1 Biocombustíveis

426

13.1.1 Etanol 427 13.1.2 Biodiesel

427

13.1.3 Combustível de algas

13.2 Energia solar

430

13.2.1 Células fotovoltaicas 430 13.2.2 Aquecimento solar ativo

431

13.2.3 Aquecimento solar passivo 433

13.3 Células de combustível

433

13.4 Geradores termoelétricos 435 13.5 Energia geotérmica 13.6 Energia eólica

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436

437

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XIV Sumário

13.7 Energia hidrelétrica e do oceano 438 13.7.1 Energia das ondas

438

13.7.2 Conversão de energia térmica do oceano

439

13.7.3 Energia hidrelétrica 440

13.8 Geração de energia osmótica 13.9 Resumo

442

Problemas Questões práticas FE Exam 443 Capítulo 14 – Termodinâmica de organismos vivos 14.1 Conversão de energia em plantas

447

14.2 Conversão de energia em animais

449

14.3 Geração de trabalho biológico

445

452

14.4 Regulação da temperatura em sistemas biológicos

452

14.4.1 Organismos endotérmicos 453 14.4.2 Organismo ectotérmico

453

14.4.3 Regulação da temperatura em plantas

14.5 Resumo

454

Problemas Questões práticas FE Exam 455 Apêndice A Conversões de unidades 459 Apêndice B Propriedades dos materiais Apêndice C Tabelas de vapor

461

469

Apêndice D Propriedades do R134a

481

Apêndice E Propriedades da amônia 489 Apêndice F Tabelas de gás ideal 493 Apêndice G Gráficos psicrométricos 501 Apêndice H Gráficos de compressibilidade 503 Apêndice I Gráficos de desvio de entalpia 505 Apêndice J Gráficos de desvio de entropia 507 Respostas para problemas selecionados

509

Índice 517

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Lista de nomenclatura a Constante, a Aceleração, a Função de Helmholtz A0, Constante AC Razão de massa ar/combustível B Módulo volumétrico PMI Ponto morto inferior BWR Razão de trabalho reverso C Calor específico, C Uma constante c Velocidade da luz COPBC Coeficiente de performance de uma bomba de calor COPR Coeficiente de performance de um refrigerador Cp Calor específico a pressão constante Cv Calor específico a pressão constante dEv.c./dt Variação da energia por unidade de tempo ds Segmento de comprimento diferencial f Uma função representativa F Força F Vetor de força CA Razão de massa combustível/ar Fn Componente normal de uma força G Função de Gibbs g Gravidade g Função de Gibbs gc Constante gravitacional h Entalpia específica h Altura h Constante de Planck h° Entalpia no estado de referência hf Entalpia de formação hfg Entalpia de vaporização hc Coeficiente de transferência de calor por convecção H Entalpia Hp, HP Entalpia dos produtos HR, HR Entalpia dos reagentes PCS Poder calorífico superior i Corrente i Irreversibilidade por unidade de massa I Irreversibilidade k Razão de calores específicos k Condutividade térmica kga Um quilograma de ar kgw Um quilograma de água kgv Um quilograma de vapor K Constante da mola Kp Constante de equilíbrio EC Energia cinética L Espessura PCI Poder calorífico inferior m Massa

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ma Massa de ar seco mf Massa de líquido mf A massa final mg Massa de vapor mi A massa inicial mv Massa de vapor de água contida no ar m⋅ Vazão mássica (fluxo de massa) N Uma função geral M Massa molar Mi Massa molar da substância mi Massa do componente i de uma substância PME Pressão média efetiva n A constante M Uma função geral N Quantidade de mols Ni Quantidade de mols do componente i P Pressão Pa Pressão parcial do ar seco Pcr Pressão do ponto crítico Pf A pressão final Pi Pressão parcial do componente i Pi A pressão inicial Pr Pressão relativa PR Pressão reduzida Pv Pressão parcial do vapor de água EP Energia potencial q Transferência de calor específica Q Transferência de calor QA Transferência de calor de um reservatório de alta temperatura QB Transferência de calor de um reservatório de baixa temperatura ⋅ Q Taxa de transferência de calor ⋅ QC Taxa de transferência de calor na caldeira ⋅ ⋅ QC, QCond Taxa de transferência de calor no condensador ⋅ QEvap Taxa de transferência de calor no evaporador r Taxa de compressão r Raio rc Taxa de corte rp Relação de pressão R Constante do gás R Resistividade elétrica R Fator R Ru Constante universal de gás s Entropia específica s Entropia específica por mol s° Uma função de entropia S Entropia GE Gravidade específica Sger Entropia gerada Sviz Entropia da vizinhança ⋅ Sprod Produção de entropia t Tempo

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XVI Lista de nomenclatura T Temperatura, Torque T0 Temperatura do estado morto Tcr Temperatura do ponto crítico Tdb Temperatura de bulbo seco Tdp Temperatura de condensação Tf A temperatura final TA Temperatura de um reservatório de alta temperatura Ti A temperatura inicial TL Temperatura de um reservatório de baixa temperatura TR Temperatura reduzida Twb Temperatura de bulbo úmido PMS Ponto morto superior u Energia interna específica U Energia interna UP, UP Energia interna dos produtos UR, UR Energia interna dos reagentes v Volume específico Volume molar específico v vf Volume do líquido vg Volume do vapor vr Volume relativo específico vR Volume específico pseudorreduzido Ѵ Velocidade V Volume V Tensão ⋅ V vazão volumétrica (taxa de fluxo) w Trabalho por unidade de massa ws Trabalho de eixo por unidade de massa W Trabalho ⋅ W Taxa de trabalho ⋅ WC Taxa de trabalho do compressor

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⋅ WComp ⋅ WT Ws Wa x xi yi z Z DSger DSlíq DSuniv b b d « « h hII mJ n n r rx s t f f C c c v

Taxa de trabalho do compressor Taxa de trabalho da turbina Trabalho do eixo Trabalho real Título A fração de massa de um componente A fração molar Elevação Fator de compressibilidade Entropia gerada Variação líquida de entropia Variação de entropia no universo Uma constante característica Expansividade de volume Significa um diferencial inexato Emissividade Fator de utilização Eficiência Eficiência da segunda lei Coeficiente de Joule-Thomson Coeficiente estequiométrico Frequência de luz Densidade Densidade de uma substância desconhecida Constante de Stefan-Boltzmann Tensão de cisalhamento Razão de equivalência, Umidade relativa Uma propriedade especial Exergia por unidade de massa Uma propriedade especial Umidade específica (razão de umidade)

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Prefácio A motivação para escrevermos este texto sobre termodinâmica deveu-se à quantidade de volumes que outros livros sobre o tema apresentavam. Detalhes sobre assuntos tangenciais dificultaram na introdução do tema para alunos iniciantes de engenharia. É desafiante para um estudante saber o que é importante e o que não deve ser considerado. Tentamos oferecer uma introdução ao assunto, com foco no que é essencial, incluindo apenas o que é necessário para fornecer uma visão de como a termodinâmica pode ser usada para explicar exemplos de fenômenos cotidianos. A termodinâmica, envolvendo armazenamento, transferência e transformação de energia, é o primeiro curso em ciências térmicas para estudantes de engenharia. Essa abordagem fornece a base para os conceitos básicos e habilidades para a resolução de problemas posteriormente utilizados em mecânica dos fluidos, transferência de calor e no projeto de sistemas termofluidos. Este livro será útil para desenvolver as habilidades essenciais em termodinâmica, principalmente em cursos de um semestre ou dois. O texto foi elaborado para proporcionar substancial compreensão dos princípios, terminologia e metodologia do assunto por completo. A linguagem da termodinâmica é explicada em detalhes para que os alunos possam entender rapidamente os conceitos e as técnicas de análise utilizadas. O uso extensivo de exemplos práticos demonstra a configuração e a solução adequada de problemas. Essas habilidades, então, são desenvolvidas através de grande variedade de exercícios, com um grau crescente de complexidade, permitindo a solução dos problemas básicos e de alguns mais complexos. A estrutura do livro foi desenvolvida para ser um apoio a um curso básico de termodinâmica ou a base de uma sequência de dois semestres dos conceitos básicos e aplicações. O texto divide-se em três partes. Na Parte I, Conceitos e leis básicas, são apresentados, explicados e ilustrados a terminologia, conceitos e leis básicas empregadas na área de termodinâmica. Na Parte II, Aplicações, são abordados os ciclos de energia e refrigeração em detalhes, juntamente com uma introdução às misturas, psicrometria e combustão. Na Parte III, Tópicos contemporâneos, são apresentadas fontes alternativas de energia e termodinâmica dos organismos vivos. A Parte I inclui as propriedades termodinâmicas dos materiais e como são usados na solução de problemas de engenharia. A ênfase está em fluidos de trabalho comuns utilizados na indústria, além de ar e água. É dada especial atenção ao uso de procedimento estruturado de resolução de problemas, que constitui na organização da informação fornecida para o desenvolvimento de solução adequada. Esse procedimento é enfatizado em diversos exemplos no texto e destina-se a desenvolver boas habilidades aos estudantes na solução de problemas. Os tópicos discutidos incluem as propriedades das substâncias, a primeira lei da termodinâmica, integrais de trabalho, dispositivos de engenharia, a segunda lei da termodinâmica e os efeitos de gases não ideais. A Parte II aplica os princípios termodinâmicos em uma série de dispositivos e ciclos de engenharia. Se desejado, os tópicos selecionados nessa parte podem ser incluídos em um primeiro curso. Nessa parte, também se analisam usinas de energia, motores de combustão, sistemas de refrigeração, psicrometria e combustão, fundamental para os cursos posteriores em conversão de energia, motores e AVAC. Na Parte III, o foco dirige-se à energia alternativa. O uso do combustível fóssil não será sustentável ao longo dos próximos séculos. Portanto, fontes sustentáveis de energia serão necessárias. Apresentamos diversas dessas fontes de energia. Por fim, analisa-se a termodinâmica dos organismos vivos. Nas tabelas , na seção Apêndices , estão incluídas propriedades de uma série de substâncias. A interpolação, procedimento que demanda tempo, é muitas vezes necessária para determinar as propriedades requeridas. Para evitarmos muitas interpolações, incluímos as etapas necessárias para o uso da Calculadora de Propriedades de Fluidos IRC, introduzida no Capítulo 2, a qual proporciona o método mais eficiente para determinar rapidamente as propriedades dos materiais de várias substâncias encontradas com frequência. O leitor utilizará bastante essa ferramenta da internet, oficialmente conhecida como Calculadora de propriedades dos fluidos IRC (2012), desenvolvida e mantida pela Industrial Refrigeration Consortium da Universidade de Wisconsin-Madison. A termodinâmica é um dos primeiros cursos de resolução de problemas nos currículos de engenharia mecânica ou química. É também o alicerce para o campo das ciências térmicas. Estudantes aprendem como a transferência de energia para ou a partir de uma substância pode alterar as propriedades básicas da substância. É igualmente importante para que desenvolvam habilidades na interpretação de descrições físicas, enquanto resolvem problemas práticos de interesse na engenharia. Supõe-se que os leitores tenham concluído cursos de cálculo integral e diferencial, embora a álgebra seja a ferramenta matemática principal para resolver a maioria dos problemas em termodinâmica. Algumas das derivações exigem alguns conceitos de cálculo.

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XVIII Prefácio O material introdutório incluído na Parte I, Capítulos 1 a 7, foi selecionado cuidadosamente para apresentar aos alunos as áreas fundamentais da termodinâmica. Não é necessária a abordagem de todo o material em cada capítulo para um curso introdutório. O professor pode adaptar este material ao seu curso. Uma seção ou duas no final de vários capítulos podem ser omitidas sem prejuízo na continuidade dos próximos capítulos. Após o texto introdutório, há conteúdo suficiente para um curso adicional, que poderia incluir o material omitido nos Capítulos 1 a 7 e seções selecionadas dos Capítulos 8 a 14. Incluímos exemplos detalhados para ilustrar cada conceito importante apresentado. Inúmeros problemas para resolver, muitos com várias partes para melhores tarefas, proporcionam ao aluno a oportunidade de obter experiência resolvendo os exercícios de vários níveis de dificuldade. Espera-se que todas as partes dos problemas com as indicações i), ii), iii) etc. sejam trabalhadas. Espera-se, porém, que somente a parte selecionada será atribuída nos problemas com indicações de letras minúsculas em itálico [por exemplo, a), b) e c)]. As respostas desses exercícios são apresentadas ao final do livro. Depois de estudar o conteúdo do livro, a análise dos exemplos e a prática em vários exercícios, os alunos devem ter a capacidade necessária para trabalhar em muitos dos problemas encontrados em situações reais de engenharia em cada tópico apresentado. Com certeza, existem questões difíceis de resolver, mesmo para um técnico experiente. Para tanto, o engenheiro deve buscar mais informações além das indicadas neste texto introdutório. Há, no entanto, inúmeros problemas de interesse para o profissional que podem ser resolvidos com sucesso utilizando o material e conceitos aqui apresentados.

Este livro traz a Trilha, uma solução digital com alternativas de estudo para os alunos e recursos para o professor utilizar em sala de aula. Os alunos terão acesso a atividades com as quais poderão rever e estudar conceitos e definições, bem como verificar seu aprendizado. Para o professor, estão disponíveis slides em PowerPoint® que poderão auxiliá-lo em sala de aula, além do manual do professor. O manual do professor está disponível em inglês. Acesse o link http://cursosonline.cengage.com.br.

Agradecimentos Os autores são muito gratos tanto a seus professores quanto a seus colegas. Rickey Caldwell revisou todo o texto e fez numerosas edições úteis. Gostaríamos também de agradecer aos nossos colaboradores que ajudaram imensamente para chegar ao manuscrito final. São eles: Mahesh Chand Aggarwal, Gannon University William Bathie, Iowa State University Carlos F. M. Coimbra, University of California, San Diego S. Mostafa, Ghiaasian, Georgia Institute of Technology Pei-feng Hsu, Florida Institute of Technology Melina Keller, California Polytechnic University, San Luis Obispo John Kramlich, University of Washington Edward Lumsdaine, Michigan Technological University Sameer Naik, Purdue University, West Lafayette Than Ke Nguyen, California State University, Pomona Steven G. Penoncello, University of Idaho Laura Schaefer, University of Pittsburgh Elisa Toulson, Michigan State University KENNETH KROOS MERLE C. POTTER A metrificação deste texto foi feita por Shaligram Tiwari, Indian Institute of Technology Madras.

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Sobre os autores Kenneth A. Kroos Formação: Bacharel em Física: University of Toledo Mestrado em Engenharia Mecânica: University of Toledo Ph.D. em Fenômenos de Transporte Biológico e Químico: University of Toledo Experiência: ■ ■

■ ■

■

Lecionou na Christian Brothers College e na Villanova University Atuou como conselheiro do Grêmio Estudantil e presidente do Memphis - Seção Meio-Sul da Sociedade Norte-Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME, American Society of Mechanical Engineers) Lecionou termodinâmica, mecânica dos fluidos e vários outros cursos Autor de numerosas publicações nas áreas de mecânica dos fluidos, transferência de calor, ensino de engenharia e computação gráfica para visualização do fluxo Membro da ASME e membro da Sociedade Americana de Educação em Engenharia. Recebeu o Prêmio de Serviço dedicado à ASME Atuou como vice-presidente da ASME em 2001 e exerceu mandato de três anos no Conselho dos Assuntos de Membros.

Merle C. Potter Formação: Bacharel em Engenharia Mecânica: Michigan Technological University Mestrado em Mecânica de Engenharia: Michigan Technological University Mestrado em Engenharia Aeroespacial: University of Michigan ph.D. em Mecânica de Engenharia: University of Michigan Experiência: ■

Lecionou em Michigan Tech, na Michigan University e na Michigan State University

■

Atuou como Conselheiro do Grêmio Estudantil da ASME

■

Autor e coautor de 35 livros, auxiliou em livros e revisou exames de livros

■

Realizou pesquisa em mecânica dos fluidos e conservação de energia

■

Recebeu inúmeros prêmios, que incluem:

Teacher-Scholar Award

ASME Centennial Award

Membro da Academia de Engenharia Mecânica James Harry Potter

Medalha de ouro do Michigan Tech (Termodinâmica-ASME)

■

Ministrou cursos sobre os temas de mecânica, ciências térmicas e matemática aplicada

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Parte 1 Conceitos e leis básicas 

Capítulo 1

Conceitos básicos e sistemas de unidades



Capítulo 2

Propriedades de substâncias puras



Capítulo 3

A primeira lei para sistemas



Capítulo 4

A primeira lei aplicada a volumes de controle



Capítulo 5

A segunda lei da termodinâmica



Capítulo 6

Entropia



Capítulo 7

Relações termodinâmicas

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a Parte I, são apresentados, explicados e ilustrados a terminologia, os conceitos e as leis básicas utilizadas no estudo da termodinâmica. Pelo menos um problema de exemplo demonstrará a aplicação de cada conceito introduzido, e numerosos problemas práticos no final de cada capítulo permitirão que os alunos reforcem a informação apresentada. Esses conceitos e leis básicas serão aplicados a dispositivos de interesse para engenheiros; os dispositivos serão organizados em vários ciclos de potências e de refrigeração simples. Na Parte II, Aplicações, os ciclos de energia e refrigeração serão estudados em detalhes, junto com uma introdução à psicrometria e combustão. Na Parte III, Tópicos Contemporâneos, serão apresentadas fontes alternativas de energia e termodinâmica dos organismos vivos.

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Visão geral 1.1 Introdução

Conceitos básicos e sistemas de unidades

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7

O que é termodinâmica? 5 Como usamos a termodinâmica? 5 Como os engenheiros utilizam a termodinâmica? 6 Qual é a história da termodinâmica? 6 Qual é o futuro da termodinâmica? 6 Quais são os conceitos e premissas fundamentais? 7 Quais são as fases da matéria? 8

1.2 Dimensões e unidades 1.2.1 1.2.2

O sistema SI 9 O sistema inglês

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio 1.3.1 1.3.2 1.3.3

Propriedades e estado de um sistema 12 Densidade e volume específico 13 Processos e equilíbrio 15

1.4 Pressão 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4

O que é pressão? 17 Pressão absoluta e manométrica 17 Unidades de pressão 18 Dispositivos de medição de pressão 18

1.5 Temperatura 1.5.1 1.5.2 1.5.3

O que é temperatura? 21 Escalas de temperatura absoluta e relativa Medição de temperatura 23

1.6 Energia

1.7 Resumo

Problemas Questões práticas FE Exam

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Nomenclatura A nomenclatura a seguir é apresentada neste capítulo: a f F Fn g gc h EC m P EP R

Aceleração Uma função representativa Força Componente normal de uma força Gravidade Constante gravitacional Altura Energia cinética Massa Pressão Energia potencial Resistência elétrica

GE Gravidade específica T Temperatura U Energia interna V Volume Ѵ Velocidade v Volume específico z Elevação aT Coeficiente de expansão térmica b Uma constante característica d Significa um diferencial inexato r Densidade rx Densidade de uma substância desconhecida

Resultados da aprendizagem ❏ Compreender os conceitos básicos da termodinâmica ❏ Entender as quantidades básicas em termodinâmica ❏ Trabalhar com sistemas de unidades SI e Inglês ❏ Familiarizar-se com as propriedades básicas

Exemplo motivacional – Uma sonda perdida

Marte

Sonda

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Em 23 de setembro de 1999, a NASA instruiu a Sonda Climática de Marte (MCO, Mars Climate Orbiter) para realizar uma arremetida que iria colocá-la em órbita em torno de Marte. O objetivo do satélite era monitorar as condições na atmosfera de Marte por um longo período. As medições deveriam ser realizadas para estudar as condições meteorológicas diárias, o perfil da temperatura atmosférica e o vapor de água, e a quantidade de poeira na atmosfera marciana. Pouco depois que foi dado o comando para a inserção orbital, a NASA perdeu o contato com a sonda. Descobriu-se posteriormente que a sonda caiu em decorrência de um erro no cálculo do empuxo. O projeto requeria um impulso do propulsor para enviar a sonda até a órbita de Marte. Em virtude de uma confusão nas unidades entre libras de empuxo e newtons de empuxo, a órbita adequada não foi atingida e sonda mergulhou no planeta. O uso apropriado de unidades deve ser compreendido.

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Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades

1.1 Introdução 1.1.1 O que é termodinâmica? A termodinâmica é uma palavra que a maioria das pessoas acha difícil de compreender. Ela é fundamentada em leis básicas da física que são muito simples de se apresentar e aplicar, embora algumas palavras incomuns de propriedades físicas sejam utilizadas, tais como entalpia e exergia. Um dos propósitos deste livro será definir essas palavras de uma forma que dê o seu significado real e mostre como elas são utilizadas pelos engenheiros. A termodinâmica envolve o armazenamento, a transferência e a transformação de energia. A energia pode ser adicionada a uma massa ou retirada dela. Isto é conseguido por meio de vários processos físicos que estudaremos em profundidade neste livro. Por exemplo, quando se queima gasolina em um motor automotivo, o calor gerado pela combustão da mistura de ar e combustível em um cilindro aumenta drasticamente a pressão e a temperatura dentro do cilindro. A alta pressão é utilizada para empurrar um pistão dentro do cilindro, o qual leva à produção de potência. Este exemplo demonstra dois tipos de processos termodinâmicos. Primeiro, a energia química contida na gasolina é liberada na forma de calor quando a gasolina dispersa no ar sofre combustão. Em segundo lugar, a alta pressão move o pistão, assim, realizando trabalho. A transferência de calor e o trabalho, que serão cuidadosamente definidos no contexto da termodinâmica no Capítulo 3, são as duas formas mais importantes pelas quais a energia é transferida por meio de processos de interesse em nosso estudo. Outro exemplo da transformação de energia é o processo de fotossíntese das plantas, descrito mais detalhadamente no Capítulo 14. A energia da luz do Sol é absorvida pela clorofila nas folhas das plantas para fabricar os açúcares usados como alimento para as plantas. Exemplo semelhante é a utilização de uma célula solar fotovoltaica, apresentada no Capítulo 13, a qual transforma a energia da luz solar em eletricidade. Em todos esses exemplos, a energia é utilizada para produzir um resultado desejável. Mas a energia nem sempre aumenta as temperaturas; ela pode ser usada para diminuir as temperaturas, como em sistemas de refrigeração. Quando você pensar em termodinâmica, pense em energia. Termodinâmica é o primeiro de uma série de assuntos que constituem as ciências térmicas. Ela é geralmente acompanhada de cursos de mecânica dos fluidos e de transferência de calor. Em alguns currículos, esses cursos são acompanhados de uma aula de projeto abrangente em sistemas fluido-térmicos que integram os três temas em uma experiência orientada a projetos. Podem acompanhar cursos eletivos sobre conversão de energia, projetos de motores, projetos de usinas de energia e de propulsão.

1.1.2 Como usamos a termodinâmica? Toda vez que energia é armazenada, transferida ou transformada de uma forma de energia para outra, estamos aplicando a termodinâmica. A termodinâmica é fundamental no projeto de sistemas de potência convencionais, tanto de grande quanto de pequeno porte. Nessas usinas que queimam combustíveis fósseis ou utilizam energia nuclear, a energia na forma de calor é convertida em energia na forma de trabalho, transformando a água em vapor e usando esse vapor para acionar turbinas, as quais, por sua vez, transformam energia mecânica em energia elétrica utilizando geradores. Os engenheiros elétricos assumem a responsabilidade pela energia depois que ela passa das turbinas para os geradores. A termodinâmica é usada no projeto de motores que vão desde pequenos motores que alimentam um aeromodelo até motores de automóveis, motores a jato

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Termodinâmica: O armazenamento, transferência e transformação de energia.

Alta pressão após a combustão

Pistão

Comentário A termodinâmica é fundamental no projeto de sistemas de potência convencionais.

Vapor Água

Potência Turbina Chama

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Parte 1 Conceitos e leis básicas e motores maiores que alimentam navios. Ela também é utilizada para analisar a energia alternativa em usinas hidrelétricas, usinas eólicas e geradores de energia solar. A termodinâmica encontra aplicação na análise de uma infinidade de processos industriais que geram produtos químicos, medicamentos e alimentos. Ela também fornece uma visão geral de como a natureza converte a energia dos alimentos em energia nos animais. A termodinâmica também pode ser utilizada para compreender como a energia solar é convertida em nutrição para a vida das plantas.

1.1.3 C omo os engenheiros utilizam a termodinâmica? A termodinâmica é utilizada por engenheiros que trabalham em grande variedade de áreas, principalmente por engenheiros mecânicos e químicos. Os engenheiros mecânicos são responsáveis pelo projeto, construção e operação de grandes usinas de energia. Eles também projetam motores utilizados em carros, barcos, aviões e navios. Ambos os engenheiros aplicam a termodinâmica no projeto de processos de fabricação para produzir produtos de consumo, farmacêuticos e alimentícios. Os engenheiros, utilizando a termodinâmica, estão desenvolvendo novas fontes de energia para substituir os combustíveis fósseis, que são a principal fonte de poluentes. Eles estão trabalhando nas áreas de energia eólica, hídrica, biocombustíveis, geração de hidrogênio e energia solar, para citar alguns, na tentativa de, eventualmente, desenvolver um sistema de energia sustentável.

1.1.4 Qual é a história da termodinâmica?

Newton

Lei: Desenvolvida a partir da observação direta sob restrições rigorosas.

Os seres humanos têm interesse em termodinâmica desde que a nossa espécie utilizou o fogo para se aquecer e cozinhar alimentos. A partir de aproximadamente 3.000 a.C. a 500 a.C., os cientistas egípcios e, em seguida, os gregos, especularam que a energia do calor era um fluido que eles chamaram de flogisto. O fogo foi um dos elementos básicos da natureza, junto com a terra, o vento e a água. Por volta de 500 a.C., os cientistas gregos estavam debatendo se um vácuo poderia existir ou ser criado. Depois de centenas de anos, os séculos XVII e XVIII viram a transformação da magia primitiva da alquimia para o tema da termoquímica. Nesse período, foram desenvolvidas muitas dessas primeiras leis científicas prevendo como os gases se comportavam. Uma lei é desenvolvida a partir da observação direta e tem restrições rigorosas. Em 1662, foi publicada a lei de Boyle, um caso especial da lei do gás ideal. Em 1802, foram publicadas tanto a lei de Charles como a lei de Guy-Lussac, sendo ambas relacionadas com a lei do gás ideal. O primeiro motor, movido a vapor, foi patenteado em 1769 por James Watt. Em 1824, Sadi Carnot publicou seu trabalho sobre a equivalência de trabalho e calor. Por esse trabalho, ele é conhecido como o “pai da termodinâmica”. A revolução industrial trouxe grandes mudanças na engenharia e na sociedade. Produtos que antes eram feitos em indústrias “caseiras”, como lojas de ferreiros, agora eram fabricados em grandes instalações industriais. Um dos efeitos colaterais desse crescimento industrial foi a necessidade de engenheiros mecânicos que conseguissem projetar e operar os sistemas de potência necessários para alimentar as fábricas.

1.1.5 Qual é o futuro da termodinâmica? Um dos principais problemas que enfrentamos hoje é a disponibilidade cada vez menor de energia utilizável. No século XIX e início do século XX, a energia era prontamente disponível, abundante e barata. A indústria era capaz de prosperar e se expandir, porque as fontes de energia eram abundantes. Hoje, este cenário está mudando. Sabemos que nossas fontes de combustíveis fósseis, especialmente o carvão, o petróleo e o gás natural, são limitadas, e que ficaremos sem elas algum dia.

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Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades Fontes alternativas de energia, como a energia solar, energia eólica e o hidrogênio, estão sendo desenvolvidas, mas estão longe de poder substituir os combustíveis fósseis. A energia nuclear é outra fonte de energia, mas a preocupação pública em relação a vazamentos de radiação e como eliminar os “resíduos” desacelerou essa indústria até chegar a uma paralisação nas últimas décadas. Além disso, os acidentes de Chernobyl, Three Mile Island e do Japão têm levantado sérias preocupações sobre a segurança dos reatores nucleares. Como a energia nuclear produz pouco ou nenhum CO2, e a preocupação pública quanto à sua segurança está se tornando menos problemática, ela está recuperando o interesse nos Estados Unidos. A energia nuclear vem aumentando continuamente em outras partes do mundo. A França e o Japão respondem por mais de 50% da capacidade de geração de energia nuclear no mundo, embora venham diminuindo por causa de recentes acidentes relacionados a terremotos e outros desastres naturais. São necessárias salvaguardas mais eficazes. O estudo de como os processos e nosso estilo de vida afetam a disponibilidade em longo prazo dos recursos naturais necessários para realizar os processos e sustentar nosso estilo de vida é chamado sustentabilidade. Quando analisamos nossa energia, água, alimentos e recursos minerais, temos de considerar os efeitos de longo prazo do nosso consumo desses recursos. As futuras gerações devem ser capazes de atender às suas necessidades. Ainda hoje, muitas comunidades em todo o mundo sofrem de grave falta de água potável e lenha disponível; elas vivem um estilo de vida insustentável. Tentaremos incluir a sustentabilidade em vários capítulos deste livro.

Perguntas: A energia nuclear estará presente mais uma vez no nosso futuro? Ela é segura? Será que a falha de contenção no Japão em 2011 a elimina como uma fonte de energia segura?

Sustentabilidade: A capacidade de resistência.

1.1.6 Quais são os conceitos e premissas fundamentais? O termo termodinâmica é inapropriado, uma vez que “dinâmica” sugere movimento. Mesmo que o processo de adição ou remoção de energia de uma substância seja, por definição, um processo dinâmico, não estaremos interessados nas etapas instantâneas necessárias para mudar de um estado inicial para um estado final. Em vez disso, vamos considerar os retratos “instantâneos” do estado de um sistema antes e depois de um processo ocorrido. As propriedades de um estado estável serão definidas antes do processo, e essas mesmas propriedades serão identificadas no final do processo. Este exercício produzirá as imagens do “antes” e “depois” do sistema, mas não detalhará o que está acontecendo durante o processo de transferência de energia. O objetivo do problema será determinar o estado final, dado o estado inicial. Especificaremos o estado inicial e descreveremos o processo que ocorre. A partir dessa informação, resolveremos então o estado final. Ocasionalmente, o estado final será identificado e o estado inicial será solicitado. Um sistema é definido como uma massa fixa que ocupa um espaço, um espaço que pode ou não mudar de volume ou forma. A massa de um sistema, tal como o hélio em um balão de hélio, não se altera. Então, analisamos como um sistema particular muda conforme a energia é adicionada ou removida. As vizinhanças incluem tudo o que seja externo ao sistema. Se o sistema não troca energia com a vizinhança, então, é um sistema isolado. Em muitas situações, não é razoável focar a atenção em uma massa fixa; em vez disso, o foco deve ser em um volume fixo dentro do qual e/ou a partir do qual um fluido pode escoar, tal como uma bomba, uma turbina ou um tanque de propano se esvaziando. Esse volume é chamado volume de controle, e a superfície que circunda o volume de controle é a superfície de controle. A vizinhança inclui, assim, tudo o que seja externo ao volume de controle. A forma que as equações básicas em termodinâmica levam para um sistema difere daquelas do volume de controle, por isso é importante saber o que está sendo analisado. Existem duas abordagens para o estudo da termodinâmica. A termodinâmica clássica é uma abordagem macroscópica, ou global, em que assumimos que uma substância é um contínuo, no sentido de que ocupa todos os pontos em uma região

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Sistema: Uma quantidade de massa fixa e identificada. Vizinhanças: Tudo que seja externo ao sistema. Sistema isolado: Um sistema que não troca energia com a vizinhança. Volume de controle: Um volume fixo dentro do qual e/ou a partir do qual um fluido escoa. Superfície de controle: A superfície que envolve o volume de controle. Contínuo: Uma substância ocupa todos os pontos em uma região de interesse.

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Parte 1 Conceitos e leis básicas de interesse. Há cerca de 3 3 1016 moléculas em um milímetro cúbico de ar ao nível do mar, por isso, a suposição de que o ar ocupa todos os pontos em um volume é bastante razoável quando se considera os problemas de interesse. As propriedades de uma quantidade finita de matéria, o sistema, são tratadas como propriedades espacialmente médias. Por exemplo, quando você está em um quarto, pensa em termos da temperatura ambiente ou pressão. Esta é uma temperatura ou pressão média em toda a sala, em oposição às propriedades medidas em vários pontos do quarto. Outra abordagem para a termodinâmica é encontrada na termodinâmica estatística, em que os movimentos de moléculas são analisados utilizando-se métodos estatísticos para prever como uma substância vai reagir à adição ou subtração de energia. A mecânica estatística relaciona a atividade molecular às quantidades termodinâmicas macroscópicas. As propriedades de materiais dispersos estão relacionadas com os dados espectroscópicos de moléculas individuais. A termodinâmica estatística é um assunto especializado oferecido tanto em graduação eletiva como em cursos de pós-graduação. Neste livro, o movimento das moléculas individuais não será de interesse.

PD-USGOV

Observação: Há cerca de 3 3 1016 moléculas em um milímetro cúbico de ar. A hipótese de um contínuo é bastante razoável para todas as substâncias de interesse consideradas neste livro.

Uma usina de energia.

Nesta introdução à termodinâmica, utilizaremos os conceitos e a metodologia da termodinâmica clássica para resolver os problemas encontrados em sistemas de engenharia comuns. Apesar de a simplificação de hipóteses ser feita sobre os sistemas analisados, a termodinâmica clássica é uma ferramenta muito poderosa na compreensão e projeção dos inúmeros dispositivos utilizados na produção de energia, como em motores, sistemas de potência e geladeiras.

1.1.7 Quais são as fases da matéria? Sólido: Não assume a forma de seu recipiente. Líquido: Assume a forma de seu recipiente, mas não se expande para preencher todo o volume disponível. Gás: Preenche todo o volume disponível. Suas moléculas são relativamente distantes.

Em termodinâmica estudamos as três fases básicas, ou estados, da matéria: a fase sólida, a fase líquida e a fase gasosa. Um sólido não flui para assumir a forma de seu recipiente nem se expande para preencher todo o volume disponível. As moléculas sólidas podem se deslocar relativamente umas às outras quando sujeitas a uma tensão, mas elas não se movem continuamente ou de forma independente com relação a moléculas vizinhas. Um líquido flui para assumir a forma de seu recipiente, mas não se expande para preencher todo o volume disponível, enquanto um gás se expande para preencher todo o volume disponível. Os líquidos e os gases se movem independentemente quando sujeitos a uma tensão. Na verdade, eles se movem continuamente enquanto a tensão é aplicada. Em termodinâmica, a água é um bom exemplo das três fases: gelo (sólida), líquida e vapor (gasosa). Cursos de mecânica dos fluidos lidam extensivamente com a análise do movimento de líquidos e gases.

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Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades

1.2 Dimensões e unidades É muito fácil confundir dimensões de uma quantidade com as unidades usadas para medir essas dimensões. As dimensões são usadas para descrever uma quantidade, ao passo que as unidades fornecem a magnitude destas dimensões. Existem dois tipos de dimensões, primárias (ou fundamentais) e derivadas. As dimensões primárias são: massa, comprimento, tempo e temperatura (força, comprimento, tempo e temperatura poderiam ter sido selecionados). Outras dimensões que descrevem propriedades elétricas e magnéticas também podem ser incluídas em uma lista de dimensões primárias, mas estas não são de interesse em nosso estudo. As dimensões derivadas são uma combinação de dimensões primárias. Por exemplo, a segunda lei do movimento de Newton define uma força como o produto de uma massa por sua aceleração; esta lei é indicada como F 5 ma

(1.1)

Selecionamos massa m para ser uma dimensão primária. A aceleração a tem as dimensões derivadas do comprimento dividido pelo quadrado do tempo. As dimensões em força F são uma combinação de comprimento, massa e tempo conforme demonstra a Equação 1.1. A velocidade é medida pelas dimensões do comprimento dividido pelo tempo. Dois principais sistemas de unidades estão em uso hoje. O Sistema Consuetudinário de Unidades Americano é utilizado pelos Estados Unidos, e o sistema SI (Système international d’unités), um sistema métrico particular, é usado pela maioria das outras nações. Ambos os sistemas serão utilizados na versão dos Estados Unidos no presente livro, porém somente o sistema SI será usado na versão internacional. Um conceito importante que envolve dimensões é o da homogeneidade dimensional. Ele exige que todos os termos de uma equação tenham as mesmas dimensões. Uma verificação rápida sobre a validade de uma equação é certificar-se de que as dimensões de todos os termos são as mesmas. Se a dimensão é força em um termo em uma equação, então todos os termos devem ter a dimensão de força. Sendo assim, quando as unidades são atribuídas às quantidades em uma equação, certifiquese de que as unidades de cada termo sejam as mesmas; isto é, se a unidade for kN em um termo, não poderá ser N em outro termo na mesma equação. Finalizamos esta seção com comentários sobre algarismos significativos. Em quase todos os cálculos, uma propriedade do material é envolvida ou um número é o resultado de uma medição. As propriedades dos materiais raramente são conhecidas por quatro dígitos significativos, e muitas vezes, apenas por três, e as medições são feitas até três e possivelmente quatro dígitos significativos. Portanto, não é apropriado expressar respostas de cinco ou seis dígitos significativos. Os cálculos são tão precisos quanto o número menos preciso em nossas equações. Por exemplo, podemos usar a gravidade de 9,81 m/s2, apenas três algarismos significativos; um diâmetro pode ser indicado como 2 cm, o qual se supõe ser de 2,00 ou 2,000, três ou quatro algarismos significativos. Geralmente, é aceitável expressar respostas usando quatro dígitos significativos, mas não cinco ou seis. O uso de calculadoras pode até gerar oito. O engenheiro não fornece, em geral, resultados de cinco ou seis dígitos significativos.

Conceito principal: Uma unidade é usada para medir uma dimensão. A massa é uma dimensão, kg é uma unidade.

Dimensões primárias: Massa, comprimento, tempo e temperatura. Dimensões derivadas: Combinação de dimensões primárias.

Homogeneidade dimensional: Todos os termos em uma equação devem ter as mesmas dimensões.

Comentário Os cálculos são tão precisos quanto o número menos preciso em um cálculo.

Observação: “Dígitos” e “valores” são sinônimos.

1.2.1 O sistema SI O sistema SI de unidades foi criado em 1793 pelo governo francês como alternativa em decimais para o sistema inglês. A utilização do sistema SI se espalhou por toda a Europa como resultado das conquistas militares de Napoleão Bonaparte. As dimensões primárias e suas unidades são mostradas na Tabela 1.1. A unidade de força no sistema SI é o newton. Para obter a força F em newtons, multiplique a massa m em quilogramas pela aceleração a em metros por segundo ao quadrado, como definido pela Equação 1.1. Um newton acelera uma massa de um quilograma em um metro

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Parte 1 Conceitos e leis básicas

F51N

а 5 1 m/s2 m 5 1 kg

por segundo ao quadrado quando atua sobre uma superfície horizontal sem atrito, como mostra a Figura 1.1. Assim, a Equação (1.1) assume a forma

Figura 1.1 Uma força acelerando uma massa em uma superfície horizontal sem atrito.

Comentário Escrevemos 10 newtons, e não 10 Newtons, seguindo as normas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST, National Institute of Standards and Technology). O sistema SI segue um conjunto muito detalhado de regras.

Comentário Lembre-se de nosso Exemplo motivacional: a sonda da NASA foi perdida porque as conversões entre unidades foram confundidas.

(1.2)

1 N 5 1 kg 3 1 m/s²

mostrando que N 5 kg?m/s2. Um newton é equivalente a 1 kg?m/s2. Tabela 1.1 Dimensões primárias e unidades do sistema SI Dimensão

Unidade

Abreviatura

Comprimento

metro

Tempo

segundo

Massa

quilograma

Temperatura

grau

kg K ou 8C

Ao expressar uma quantidade em unidades de SI, certos prefixos representados por letras, mostrados na Tabela 1.2, podem ser utilizados para identificar a multiplicação por uma potência de 10. Então, em vez de escrever 30.000 N (vírgulas não são usadas no sistema SI) ou 30 3 103 N, podemos simplesmente escrever 30 kN. O sistema SI de medida é usado por todo o mundo, exceto na Birmânia, Libéria, e nos Estados Unidos. Os produtos fabricados nos Estados Unidos usando o sistema inglês de unidades são muitas vezes incompatíveis com os projetos desenvolvidos usando o sistema SI. Os engenheiros que trabalham nos Estados Unidos são encorajados a se familiarizar com ambos os sistemas de unidades, apesar de uma indústria em particular poder ter seu próprio conjunto de unidades, que pode não ser de unidades do sistema SI ou do sistema inglês. Em um mundo onde o comércio ocorre entre a maioria dos países, é imperativo que todos nós tenhamos um conjunto uniforme de unidades. O SI fornece esse sistema, e os Estados Unidos devem se agilizar para adotá-lo em todas as suas indústrias. As unidades derivadas para outras propriedades, como de trabalho, da energia térmica e de potência, serão apresentadas nos próximos capítulos onde estes termos são definidos. Esta subseção é incluída para informar ao leitor sobre o Sistema Consuetudinário de Unidades Americano que permanece em uso em diversos países, incluindo os Estados Unidos. Apenas o sistema SI de unidades será utilizado nos exemplos e problemas do presente livro, de modo que esta subseção e o Exemplo 1.1 podem ser omitidos, se desejado. Tabela 1.2 Prefixos das unidades segundo o SI Fator de multiplicação

tera

giga

106

mega

quilo

centi

mili

micro

1029

nano

pico

22 23 26

212

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Símbolo

Prefixo

109

Desencorajado, exceto quando for medição de comprimento, área e volume: cm, cm2, ou cm3.

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Capítulo 1 Conceitos básicos e sistemas de unidades

1.2.2 O sistema inglês O Sistema Consuetudinário de Unidades Americano é baseado em um sistema tradicional inglês de unidades e será daqui em diante referido como o sistema inglês, mesmo que os ingleses não o utilizem mais. As dimensões primárias do sistema inglês estão na Tabela 1.3. Tabela 1.3 Dimensões primárias e unidades do sistema inglês Dimensão

Unidade

Abreviatura

Comprimento

pé

Tempo

segundo

Massa

slug ou libra

slug ou lbm

Temperatura

grau

8R ou 8F

A unidade tradicional de massa no sistema inglês é o slug. A unidade de força é a libra. É necessária uma libra de força para acelerar uma massa de um slug a uma taxa de um pé por segundo ao quadrado sobre uma superfície horizontal sem atrito. Isso é representado pela segunda lei de movimento de Newton: 1 lbf 5 1 slug 3 1 ft/s2

(1.3)

que fornece a relação slug 5 lbf-s2/ft. Esse sistema funcionou muito bem até que a força fosse equiparada à massa. Se um objeto pesa uma libra, e a aceleração da gravidade é g 5 32,2 ft/s2, então ele tem a massa de uma libra. Em algum momento, as pessoas começaram a descrever um objeto que pesava uma libra como tendo a massa de uma libra, apesar de massa e força serem duas quantidades muito diferentes. Tudo isso resultou em um sistema que define duas unidades de libras. Existe a libra força, lbf, e a libra massa, lbm. Uma libra massa (lbm) pesa uma libra força (lbf), assumindo a aceleração gravitacional de 32,2 ft/s2. Se não for 32,2 ft/s2, a lbf e a lbm não são iguais em grandeza. No entanto, para a maioria dos problemas considerados neste livro, g 5 32,2 ft/s2, sendo assim, 1 lbm pesa 1 lbf. Para trabalhar no sistema inglês usando lbm e lbf, definimos uma constante de proporcionalidade gc 5 32,2 lbm-ft/lbf-s2. Aplique a segunda lei de Newton, admitindo uma massa de um slug (1 slug 5 32,2 lbm) e a Equação 1.1 fornece

32,2 lbm ft 3 1 2 5 1 lbf 2 32,2 lbm-ft / lbf-s s

(1.4)

Portanto, vemos que uma força de 1 lbf acelera uma massa de 32,2 lbm em uma aceleração de 1 ft/s2. Consequentemente, quando usamos unidades inglesas em termodinâmica com a massa medida em lbm, a segunda lei de Newton, Equação 1.1 pode ser escrita como

m a gc

(1.5)

No sistema SI, a constante de proporcionalidade não é necessária quando utilizamos a força em newtons, a massa em quilogramas, e a aceleração em m/s2. Um exemplo ilustrará o sistema inglês.

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Conversão: slug 5

lbf-s2 ft

Comentário Para converter uma unidade, basta recorrer ao Google. Por exemplo, se você pesquisar no Google “10 lbf em N”, obterá “10 libras força 5 44,4822162 newtons”. Ou verifique a conversão adequada no Apêndice A. O Sr. Google não é um engenheiro, por isso foram utilizados nove dígitos significativos.

Constante de proporcionalidade: gc 5 32,2

lbm-ft lbf-s2

Comentário A termodinâmica é um dos poucos cursos, se não o único, que usam a lbm e a lbf, muitas vezes, uma combinação bastante confusa. Ela está sendo eliminada progressivamente, ao passo que as unidades SI estão sendo incluídas.

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Parte 1 Conceitos e leis básicas

Exem p lo

1.1

а 5 3 m/ s2

Figura 1.2 Comentário A gravidade g é essencialmente uma constante em qualquer lugar na superfície da Terra. Ela varia menos do que 1% a partir do topo da mais alta montanha à base da mais profunda fossa oceânica. Sendo assim, usar g 5 9,81 m/s2 em toda a superfície da Terra é bastante aceitável.

Que força é necessária para acelerar um carro? Considere a força necessária para acelerar um carro em uma estrada horizontal, como representa a Figura 1.2. Que força as rodas de um carro que pesa 9.000 N necessitam aplicar para acelerar o carro a uma taxa de 3 m/s2? Solução: Se o carro pesa 9.000 N, ele tem uma massa de 917,4 kg, assumindo g 5 9,81 m/s2, que será a hipótese caso a aceleração da gravidade local não for dada. A segunda lei de Newton fornece F 5 ma 5

W 9.000N 2 a5 3 3 m / s 5 2.752 N 2 g 9,81 m / s

Você atingiu o resultado da aprendizagem

(2)

1.3 Propriedades, processos e equilíbrio 1.3.1 Propriedades e estado de um sistema Propriedades: Características de uma substância que podem ser medidas ou calculadas a partir de medições. Estado: Definido pelos valores específicos das propriedades de uma substância.

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Propriedades são as características de uma substância que podem ser medidas ou calculadas a partir de medições. As propriedades comuns, tais como tamanho, volume, pressão e temperatura, são usadas no dia a dia; são relativamente fáceis de determinar. Outras propriedades, como a quantidade de energia contida em determinada massa de uma substância ou o teor de umidade no ar, ou até mesmo a aceleração, não são fáceis de medir. As propriedades são associadas ao que é chamado estado de uma substância. O estado é definido por determinados valores atribuídos às propriedades de uma substância. Por exemplo, um cubo de gelo é definido pelo seu tamanho e forma, bem como a sua temperatura. Para o cubo de gelo ser gelo, sua temperatura deve ser igual ou inferior à temperatura de congelamento da água. Se alterarmos as propriedades de uma substância, o seu estado mudará. Se aumentarmos suficientemente a temperatura do cubo de gelo, ele passa para o estado líquido. Como resultado, não somente a temperatura mudará, mas também a forma, já que tornou-se um líquido. Neste capítulo consideraremos as propriedades termodinâmicas mensuráveis ou diretamente determinadas a partir de propriedades mensuráveis. As propriedades, como tamanho, pressão e temperatura, podem ser medidas utilizando-se uma variedade de dispositivos, mas propriedades como volume e densidade são diretamente determinadas a partir das propriedades medidas. No próximo capítulo, consideraremos várias propriedades termodinâmicas desconhecidas que podem ser determinadas a partir das propriedades mensuráveis. Há um raciocínio circular no presente capítulo que, às vezes, é difícil de acompanhar. As propriedades de uma substância são definidas pelo seu estado. O estado de uma substância é definido por valores específicos de suas propriedades. Os dois

05/08/2015 11:03:24

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