Trabalho que apresenta conceitos básicos de termodinâmica.

1. CURSO:CURSO: TÉCNICO DE NÍVEL MÉDIOTÉCNICO DE NÍVEL MÉDIO
SUBSEQUENCIAL EM MECÂNICASUBSEQUENCIAL EM MECÂNICA
DISCIPLINA:DISCIPLINA: MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICAS
ASSUNTO:ASSUNTO: TERMODINÂMICA

2. CONTEÚDO
• Conceitos Básicos da Física;
• Transmissão de Calor;
• Termodinâmica do Vapor;

3. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA
FORÇA (F) – Energia necessária para causar uma
aceleração (a) a um corpo de massa (m):
F = m . a → Unidade: Kgf
PRESSÃO (P) – Força (F) que atua sobre a unidade
de superfície (A) de um corpo:
P = F ÷ A → Unidade: Kgf/cm² ;
donde: F = P x A

4. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA
VOLUME ESPECÍFICO (v) – Volume ocupado por
um corpo com determinada massa (m).
Unidade: m3
/Kg.
TRABALHO (W) – Ação de uma força (F) que agindo
sobre um corpo, desloca-o de uma posição d1 para
outra d2:
∆d = d2 - d1
W = F x ∆d x Cos ϕ
W = P x A x ∆d
W = P x ∆V
Unidade: Kgf.m

5. CONCEITOS BÁSICOS DA FÍSICA
TRANSMISSÃO DE CALOR
CALOR – Forma transiente de energia, transmitida
de um corpo quente a um corpo frio.
ENERGIA – Capacidade de produzir trabalho, através
de um sistema.
As transformações físicas quase sempre são
acompanhadas de variações energéticas.

6. PROPAGAÇÃO DO CALOR - Transferência de calor,
que está relacionada c/ o movimento dos átomos.
PRINCÍPIOS DA TRANSMISSÃO DE CALOR:
1 - Átomos se movem mais lentamente em baixas
temperaturas e mais rapidamente em altas
temperaturas.
2 – Calor se desloca sempre do corpo mais quente
para o corpo mais frio.

7. SENTIDO DO FLUXO DE CALOR

8. B
A
QUAL É O SENTIDO DO FLUXO DE

9. QUAL É O SENTIDO DO FLUXO DE
B
A

10. TRANSMISSÃO DE CALOR
FORMAS DE PROPAGAÇÃO DE CALOR MAIS
CONHECIDAS:
a) CONDUÇÃO;
b) CONVECÇÃO;
c) RADIAÇÃO.

11. a) CONDUÇÃO – Fluxo de calor de uma partícula a
outra sem que as mesmas tenham que mudar de
posição.

14. b) CONVECÇÃO - Fluxo de calor para um fluido em
movimento, devido à diferença de pesos específicos
entre as moléculas deste mesmo fluido.

15. IRRADIAÇÃO – Fluxo de calor por meio de ondas
eletromagnéticas, (ondas de calor ou calor radiante)

16. IRRADIAÇÃO - Processo mais importante de
propagação de calor, pois através dele o calor do Sol
chega até a Terra, sem o qual não haveria vida na
Terra. A irradiação ocorre também no vácuo.

17. ABSORÇÃO E REFLEXÃO
A irradiação térmica ao incidir em um corpo tem uma
parte absorvida e outra refletida pelo corpo.
Corpos Escuros Absorvem a maior parte da
irradiação que incide sobre eles.
Por isso um Corpo Preto, quando colocado ao Sol,
tem sua temperatura sensivelmente elevada.
Corpos Claros Refletem quase totalmente a
radiação térmica incidente.
Por isso absorvem pouco calor.

19. TRANSMISSÃO DE CALOR
MEDIDA DO CALOR - Por Quantidade ou Intensidade.
QUANTIDADE DE CALOR (Q) – Medida do calor capaz
de alterar a entalpia (h) de uma substância de massa (m),
cujos efeitos físicos observáveis são:
Variação de Pressão (Compressão e Expansão).
Variação de Temperatura (Aquecimento e Resfriamento).
Variação de Volume (Trabalho Interno e Externo).
Mudança de Estado (Ebulição e Condensação).
CALOR ESPECÍFICO (c) – Quantidade de calor capaz de
variar de 1ºC a temperatura de uma substância de massa
(m):
c = Qs ÷ m x ∆t Unidade: Kcal/Kg.°C

20. TRANSMISSÃO DE CALOR
CALOR SENSÍVEL (Qs) – Quantidade de calor capaz de
variar a temperatura de uma substância de massa (m) de t1 a
t2, que tenha um calor específico (c) constante, sem alterar o
seu estado físico:
Qs = m x c x ∆t → Unidade.: kcal
CALOR LATENTE (QL) – Quantidade de calor capaz de
mudar o estado físico de uma substância de massa (m)
isotermicamente :
QL = m x r → Unidade: kcal
r ≅ 539,6 kcal/kg → Calor latente de evaporação da água à
pressão atmosférica.
CALOR TOTAL: CT = Qs + QL

21. TRANSMISSÃO DE CALOR
INTENSIDADE DE CALOR – Velocidade com que o
calor pode ser absorvido ou fornecido por um corpo,
cujo valor é a temperatura.
TEMPERATURA – Intensidade de calor que um corpo
possui em °C, medida com um termômetro.
ESCALAS TERMOMÉTRICAS:
°C = °K – 273;
°C = (°F – 32) ÷ 1,8

22. TERMODINÂMICA - Estudo das relações entre as
quantidades de calor trocadas e os trabalhos
realizados num processo físico, envolvendo um
corpo ou um sistema de corpos e o resto do universo
(meio exterior).
Exemplo: Um gás contido num cilindro provido de
êmbolo, ao ser aquecido, age com uma força (F)
sobre a área (A) do êmbolo, ocasionando uma
variação de volume (∆V), devido ao seu
deslocamento de uma posição (d1) para outra posição
(d2).
Assim o sistema (gás) recebe calor (Q1) do meio
exterior e a força (F) aplicada ao sistema realiza um
trabalho (W) no meio exterior.

24. 1ª LEI da TERMODINÂMICA
Trata da conservação da energia: Q1 = W + Q2
Todas as formas de energias são mutuamente
conversíveis.
A energia de um Sistema Fechado e Isolado
permanece constante.
ENERGIA INTERNA (U) – Forma de energia
armazenada em um sistema material.
O seu valor absoluto é indeterminado.
O que se calcula é a sua variação (∆U) num sistema,
que depende somente das condições iniciais e finais:
∆U = Q – W

25. De Acordo c/ as Fronteiras, os Sistemas Podem Ser:
• ABERTOS: Separados do meio exterior por fronteiras
fictícias ou permeáveis a matéria.
Trocam energia e matéria com o meio ambiente.
Exemplo: frascos abertos, células, etc.
• FECHADOS: Separados do meio externo por fronteiras
diatérmicas, rígidas ou flexíveis. Embora não trocando
matéria, efetuam trocas de energia sob a forma de calor
ou trabalho com o meio externo.
Exemplo: frascos fechados, ferro de passar roupas, etc.
• ISOLADOS: Não trocam nem calor, nem energia com o
ambiente, encontrando-se separados mediante fronteiras
adiabáticas rígidas. Exemplo: Uma garrafa térmica
hermeticamente fechada pode ser considerada (com certa
aproximação) de um sistema isolado.
(Netz, Ortega, 2002).

27. 1ª LEI da TERMODINÂMICA
TRABALHO EXTERNO (W):
a) O volume do fluido varia isobaricamente, devido à
adução de calor Q1: W = P x ∆V
b) O volume e a pressão do fluido variam
adiabaticamente devido à ∆Q: W = Q1 - Q2

28. 2ª LEI da TERMODINÂMICA - Trata da
disponibilidade de calor.
Temperatura da fonte
quente, superior a dos
corpos circunvizinhos,
dá a medida da
entropia (S) p/ a
conversão em
trabalho:
W = Q1 - Q2
Unidade: kcal/kg;

29. 2ª LEI da TERMODINÂMICA
Todo processo natural ou expontâneo é
IRREVERSÍVEL.
Assim, é impossível uma máquina cíclica converter
toda a energia (Q1) que lhe é fornecida, pois grande
parte da energia restante é rejeitada sob a forma de
calor não aproveitado (Q2), resultando num baixo
rendimento térmico.
RENDIMENTO TÉRMICO (ηt)
Relação entre o trabalho (Wt) realizado por um
sistema e a quantidade de calor (Q1) que lhe foi
aduzido:
ηt = 100% (Wt ÷ Q1)

30. TERMODINÂMICA
ENTROPIA (S)
Variável de estado que depende de duas das três
variáveis termodinâmicas:
Pressão (P), Temperatura (T) e Volume (V).
Unidade: Kcal/Kg.°K
3 Aplicações Principais da Entropia:
1) Como abcissa em um gráfico do Ciclo de
Rankine, no qual a transferência de calor (Q1) é
representada por uma área e a temperatura (T) é a
ordenada.

31. CICLO de RANKINE T-S

32. APLICAÇÃO DA ENTROPIA
2) Como um índice da disponibilidade de energia térmica para
conversão em trabalho:
a) Entropia positiva indica Adução de Calor Isobárico (Q1),
S3 – S2 > 0.
b) Entropia negativa indica Rejeição de Calor Isobárico (Q2),
S1 – S4 < 0.
c) Entropia zero (S = 0) significa, nem adição, nem rejeição de
calor, logo:
• Quando S1 = S2 ⇒ S1 – S2 = 0, é um processo de
Compressão Adiabática Isoentrópica.
• Quando S3 = S4 ⇒ S3 – S4 = 0, é um processo de
Expansão Adiabática Isoentrópica.

33. APLICAÇÃO DA ENTROPIA
3) p/ Determinar Conteúdo Específico do Vapor
Parte fracionária de vapor saturado seco em cada kg
do vapor úmido (mistura vapor + água):
X = (S4 – S’4) ÷ (S”4 – S’4)
P/ Líquido
Saturado
P/ Vapor
Saturado
Seco
Conteúdo de
Líquido no Vapor
Úmido
X = 0 X = 1 (1 – X)

34. ENTALPIA (h) - Conteúdo calorífico de um corpo em
relação a sua massa:
Q = m x c x ∆t/m ⇒ h = cp . t
Unidade: kcal/kg
Calor Latente de Evaporação ou Condensação:
r = h” – h’
Entalpia do vapor saturado seco no final da expansão:
h 4 = h’4 + (X.r---4)-

35. Observação:
Geralmente a entalpia é dada, em função da pressão
ou da temperatura, numa tabela, na qual (’) significa
líquido e (”) significa vapor.
P/ variar a entalpia de um corpo, cada kg desse
corpo deverá receber ou ceder uma certa quantidade
de calor, causando-lhe as seguintes transformações
termodinâmicas em 4 fases, denominadas de Ciclo
de Rankine:

38. TERMODINÂMICA DO VAPOR
O VAPOR COMO FLUIDO PROPULSOR
Fluido termodinâmico no estado gasoso, sob
determinada pressão e temperatura, c/ entalpia (h)
capaz de produzir trabalho (W) quando é expandido
adiabática e isoentropicamente em uma turbina a
vapor.

39. TERMODINÂMICA DO VAPOR
FORMAÇÃO DO VAPOR:
Quando o calor (Q1) é aduzido isobaricamente à
água contida em uma caldeira, a sua temperatura
aumenta até chegar ao Ponto de Saturação, devido
ao Calor Sensível (Qs).
A partir daí, devido ao Calor Latente (Lv) começa a
vaporização por Ebulição.
Logo, a pressão e a temperatura permanecem
constantes enquanto houver líquido para ser
transformado em Vapor Saturado.

41. Calor Sensível
FORMAÇÃO DO VAPOR
Calor Latente

52. VAPOR SATURADO
DIAGRAMA TEMPERATURA X ENTALPIA
Anteriormente foi visto o diagrama Temperatura x
Entropia p/ as transições líquido / vapor saturado e
vapor saturado / vapor superaquecido p/ a água.
Os mesmos processos podem ser apresentados num
Diagrama Temperatura x Entalpia.
A figura apresenta o gráfico aproximado p/ a água.
Embora não sejam iguais, os aspectos de ambos os
diagramas guardam alguma semelhança entre si.
O parâmetro x é o mesmo visto no referido tópico:
X = massa de vapor saturado / massa total (água
+ vapor saturado).

54. Esse parâmetro pode ser entendido como um
ÍNDICE DE QUALIDADE DO VAPOR.
Vapor Saturado é um dos meios mais fácil de obter
aquecimento em larga escala.
Facilmente produzido por geradores (caldeiras).
Caldeiras podem ser projetadas p/ usar o combustível
mais conveniente ou o mais disponível.
A distribuição do vapor é simples, usa basicamente
tubulações.
Por esses e outros fatores, é amplamente empregado
na indústria.

55. Caldeira ideal produziria vapor saturado c/ X = 1.
Na prática, turbulências e formação de bolhas
provocam o arraste de água.
A presença de água é prejudicial porque reduz a
quantidade de vapor disponível para aquecimento.
Uma instalação típica em bom estado deve produzir
vapor com cerca de 5% de água, ou seja, X ≈ 0,95.

56. Observando o diagrama da figura:
Linhas Horizontais indicam pressão constante.
Usa-se uma delas p/ analisar a formação do vapor:
Supõe-se que o recipiente onde a água se encontra
está na pressão da linha BCD.
Se a água inicialmente está no ponto A, o
aquecimento eleva sua entalpia até o máximo
possível do líquido p/ aquela pressão (hB − hA).
Ponto B marca o início da vaporização, ou seja, é a
temperatura de saturação da água p/ a pressão
considerada.

57. Continuando o fornecimento de calor, a evaporação
tem início e a temperatura se mantém constante até o
ponto C, onde toda a água terá sido transformada em
vapor saturado.
A diferença (hC − hB) é a entalpia de vaporização da
água.
A continuação do aquecimento (CD) resulta em vapor
superaquecido.
Notar que a expressão Entalpia de Vaporização
equivale ao Calor Latente de Vaporização.
De forma similar, a diferença de entalpia do
aquecimento (hB − hA) equivale ao calor sensível por
unidade de massa.

58. Exemplo de aplicação: AQUECIMENTO DE FLUIDO
A figura abaixo dá um exemplo bastante simplificado
de aplicação do vapor d'água saturado (aquecimento
de um fluido com trocador de calor).
Instalações de vapor têm vários outros acessórios
que serão estudados em caldeiras.
O vapor sai da caldeira com uma pressão p e
alimenta uma linha ou ramal principal.
Uma válvula redutora diminui a pressão p/ pV e
alimenta a serpentina do trocador.
Nessa condição, o vapor tem uma temperatura TV e o
fluxo de massa é qmV.

60. Ao passar pela serpentina o vapor troca calor com o
fluido e se condensa.
Um dispositivo na saída, denominado purgador, evita
a perda de vapor, permitindo somente a passagem do
condensado.
Em geral, a água condensada é enviada a um
reservatório próprio e retorna à caldeira por
bombeamento.
No trocador, o fluido que se deseja aquecer entra com
uma temperatura TE e sai com TS.
A vazão de massa do fluido qmF é a mesma em ambos
os lados. Logo qmF é constante.

61. É suposto que o fluido tem um calor específico médio
cF entre essas temperaturas.
Neste exemplo simples, desprezam-se quaisquer
perdas de calor.
Portanto, todo o calor cedido pela condensação do
vapor é usado para aquecer o fluido.

62. De acordo com o conceito de calor específico,
ΔQ = c . M . ΔT.
Adaptando para o fluido a aquecer,
ΔQ = cF . mF (TS − TE).
Onde mF é a massa de fluido aquecida num
determinado intervalo de tempo Δt.
No mesmo intervalo de tempo, deve circular pela
serpentina uma massa de vapor igual a qmV . Δt.
Assim, o calor trocado deve ser igual à entalpia de
vaporização hfg (que é a mesma da condensação)
multiplicada por essa massa (considerado vapor ideal,
qualidade X = 1):
ΔQ = hfg . qmV . Δt.
Igualando com a anterior e mudando Δt de lado,
h q = c . (m /Δt) (T − T ).

63. Mas (mF/Δt) é a vazão de massa qmF do fluido.
hfg qmV = cF qmF (TS − TE).
E a vazão de massa necessária de vapor é:
qmV = cF qmF (TS − TE) /hfg #A.1#.
Notar que, na equação acima, não aparece a pressão
do vapor pV na entrada da serpentina.
Mas é um parâmetro fundamental porque a entalpia
de vaporização hfg depende dela e também a
temperatura TV.
A temperatura de saturação depende basicamente

64. Assim, se a Válvula Redutora mantém uma pressão
constante na saída, a temperatura do vapor TV ao
longo da serpentina é também constante as
temperaturas do vapor e do fluido se comportam, de
forma aproximada, de acordo com o gráfico na parte
inferior direita da figura.
A relação direta entre pressão e temperatura é uma
das grandes facilidades do uso de vapor saturado
para aquecimento.
A temperatura pode ser mantida ou variada mediante
simples ajuste de pressão.

65. VÁLVULAS REDUTORAS OU
REGULADORAS DE PRESSÃO
São dispositivos simples e podem ter regulagem
manual ou automática, através da expansão de fluido
ou outros meios, para manter a temperatura
constante, mesmo com variações de demandas no
equipamento a aquecer.
As propriedades do vapor saturado (temperatura,
pressão, entalpias e outras) podem ser obtidas nas
conhecidas tabelas de vapor.

66. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR:
a) LÍQUIDO SUB­­RESFRIADO
Líquido sob uma temperatura inferior à temperatura
de saturação correspondente a sua pressão, devido à
rejeição de calor (Q2) no Condensador.
b) LÍQUIDO SATURADO
Líquido que, sob a pressão a que está submetido,
mudará para o estado de vapor quando lhe for
aduzido calor (Q1) na Caldeira.
c) VAPOR SATURADO
Vapor formado na Caldeira sob determinada pressão,
o qual começará a passar p/ o estado líquido quando
dele for retirado calor (Q2).

67. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR:
d) VAPOR SUPERAQUECIDO – Vapor que, depois
de saturado, recebeu calor adicional fora da caldeira,
no Superaquecedor, passando a ter entalpia e
temperatua superiores ao estado de saturação, não
tendo por isso conteúdo úmido em sua massa.
e) VAPOR SUPERSATURADO – Apresenta o volume
específico e a temperatura inferiores ao ponto de
saturação (precipitação) que corresponde à pressão
em que se encontra.
De especial importância p/ os projetistas.
Só ocorre durante uma expansão rápida, nos últimos
estágios de uma Turbina a Vapor de Condensação.

68. ESTADOS FÍSICOS DA ÁGUA E DO VAPOR:
f) VAPOR ÚMIDO – Mistura física de líquido com
vapor saturado. Ocorre dentro da Caldeira.
g) PONTO DE EBULIÇÃO – Temperatura em que a
água passa do estado líquido para o estado gasoso
de forma rápida, em uma determinada pressão.
Exemplo: A água à pressão de 1 kgf/cm² entra em
ebulição à temperatura de 99,087°C.
h) PRESSÃO CRÍTICA
Pressão na qual cessa a vaporização da água, e que
corresponde à temperatura crítica e ao volume crítico
dessa mesma substância.

69. VELOCIDADES ECONÔMICAS RECOMENDADAS
PARA VAPOR NAS TUBULAÇÕES
CONDIÇÕES
do
VAPOR
PRESSÃO
em
(kg/cm2
)
APLICAÇÕES
VELOCIDADE
RAZOÁVEL
RECOMEND.
(m/s)
Saturado 0 a 1
p/ Fins de
Aquecimento
(linhas curtas)
20 a 30
Saturado
3,5 e
Acima
p/ Variados
Usos
Comuns
30 a 50
Super­
Aquecido
14 a
Acima
Linhas de
Alta Pressão
(∅ grandes)
35 a 100

70. Inflamáveis e Combustíveis de Alta
Viscosidade
Preto
Inflamáveis e Combustíveis de Baixa
Viscosidade
ALUMÍNIO
Produtos intermediários ou Pesados CREME
Gases não Liquefeitos AMARELO
Vácuo COR CINZA CLARO
Eletrodutos dos CINZA ESCURO
Álcalis — Lixívias TUBOS LILÁS
Ácido LARANJA
Água - Potável VERDE
Vapor Saturado — Materiais p/ Combate
a Incêndios
VERMELHO
Produtos Sob Pressão - Ar Comprimido AZUL
Vapor BRANCO
Vapor Superaquecido Vermelho­Branco­Vermelho
Gasolina Marrom­Vermelho­Marrom
Cor p/ os Demais Fluidos - Óleo MARROM

71. BIBLIOGRAFIA BÁSICA:
1 – Manual de Construção de Máquinas – Dubbel – Hemus
Livraria Editora Ltda.