termodinamica petrobrás

termodinamica petrobrás

(Parte 1 de 5)

Termodinâmica

Termodinâmica

CURITIBA 2002

Petrobras / Abastecimento UNS: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP

Termodinâmica Disciplina

Física Aplicada

Módulo Termodinâmica

Ficha Técnica

UnicenP – Centro Universitário Positivo

Oriovisto Guimarães

(Reitor)

José Pio Martins

(Vice Reitor) Aldir Amadori

(Pró-Reitor Administrativo)

Elisa Dalla-Bona

(Pró-Reitora Acadêmica)

Maria Helena da Silveira Maciel

(Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação

Institucional)

Luiz Hamilton Berton

(Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa)

Fani Schiffer Durães

(Pró-Reitora de Pós-Graduação e Pesquisa)

Euclides Marchi

(Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e

Sociais Aplicadas)

Helena Leomir de Souza Bartnik

(Coordenadora do Curso de Pedagogia)

Marcos José Tozzi

(Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnologias)

Antonio Razera Neto

(Coordenador do Curso de Desenho Industrial)

Maurício Dziedzic

(Coordenador do Curso de Engenharia Civil)

Júlio César Nitsch

(Coordenador do Curso de Eletrônica)

Marcos Roberto Rodacoscki

(Coordenador do Curso de Engenharia

Mecânica) Luiz Fernando Fiatte Carvalho

(Autor)

Marcos Cordiolli

(Coordenador Geral do Projeto)

Iran Gaio Junior

(Coordenação Ilustração, Fotografia e

Diagramação)

Carina Bárbara R. de Oliveira

Juliana Claciane dos Santos

(Coordenação de Elaboração dos Módulos

Instrucionais)

Érica Vanessa Martins

Iran Gaio Junior

Josilena Pires da Silveira

(Coordenação dos Planos de Aula)

Luana Priscila Wünsch (Coordenação Kit Aula)

Carina Bárbara R. de Oliveira

Juliana Claciane dos Santos (Coordenação Administrativa)

Claudio Roberto Paitra Marline Meurer Paitra

(Diagramação)

Marcelo Gamaballi Schultz

Pedro de Helena Arcoverde Carvalho

(Ilustração)

Cíntia Mara R. Oliveira

(Revisão Ortográfica)

Contatos com a equipe do UnicenP:

Centro Universitário do Positivo – UnicenP

Pró-Reitoria de Extensão

Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300 81280-320 Curitiba PR

Tel.: (41) 317 3093 Fax: (41) 317 3982

Home Page: w.unicenp.br e-mail: mcordiolli@unicenp.br e-mail: extensao@unicenp.br

Contatos com a Equipe da Repar:

Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar

Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16 83700-970 Araucária – Paraná

Mario Newton Coelho Reis

(Coordenador Geral)

Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717 e-mail: marioreis@petrobras.com.br

Uzias Alves

(Coordenador Técnico)

Tel.: (41) 641 2301 e-mail: uzias@petrobras.com.br

Décio Luiz Rogal Tel.: (41) 641 2295 e-mail: rogal@petrobras.com.br

Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva

Tel.: (41) 641 2433 e-mail: ledyc@petrobras.com.br

Adair Martins

Tel.: (41) 641 2433 e-mail: adair@petrobras.com.br

Termodinâmica

Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, diferenciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o

Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria. Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes técnico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não podem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da Petrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na Petrobras.

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Termodinâmica

1 CONCEITO FUNDAMENTAL7
1.1 Introdução7
1.2 Pressão7
1.3 Propriedade, estado, processo e equilíbrio7
1.4 O gás ideal7
1.5 Trabalho numa transformação8
1.6 Transformação qualquer9
1.7 Energia Interna9
2 1.ª LEI DA TERMODINÂMICA10
2.1 Introdução10
2.2 Transformações Gasosas1 0
2.2.1 Processo Isobárico10
2.2.2 Processo Adiabático10
2.2.3 Processo Isotérmico1
2.2.4 Processo Isométrico12
2.2.5 Processo de Estrangulamento12
3 A 2.ª LEI DA TERMODINÂMICA13
3.1 Introdução13
3.2.ª lei e suas deduções propiciam meios para:13
4 MÁQUINA TÉRMICA1 5
4.1 Introdução15
4.2 Ciclo de Carnot15
4.3 O vapor e a termodinâmica16
4.4 Processo de vaporização17
4.5 Diagrama de Mollier18
4.6 Tabelas de vapor18
5 CICLO TÉRMICO19
5.1 Introdução19
5.2 Ciclo de Rankine19
5.2.1 Ciclo com reaquecimento20
5.2.2 Ciclo regenerativo21
5.3 Ciclo real23
5.4Afastamento dos ciclos em relação aos ciclos ideais23
6APLICAÇÕES TERMODINÂMICAS MAIS USUAIS EM SISTEMAS TÉRMICOS24
6.1 Caldeira24
6.1.1 Determinação das entalpias nos diversos pontos24
6.2 Turbina24
6.2.1 Determinação das entalpias nos diversos pontos25
6.3 Vaso de Purga contínua25
6.4 Redutora de pressão26
LEITURA COMPLEMENTAR – A máquina a vapor: um novo mundo, uma nova ciência26

Termodinâmica

1Conceito fundamental

1.1 Introdução

A termodinâmica é a parte da física que trata da transformação da energia térmica em energia mecânica e vice-versa. Seus princípios dizem respeito a alguns sistemas bem definidos, normalmente uma quantidade de matéria. Um sistema termodinâmico é aquele que pode interagir com a sua vizinhança, pelo menos de duas maneiras. Uma delas é, necessariamente, transferência de calor. Um exemplo usual é a quantidade de gás contida num cilindro com um pistão. A energia pode ser fornecida a este sistema por condução de calor, mas também é possível realizar trabalho mecânico sobre ele, pois o pistão exerce uma força que pode mover o seu ponto de aplicação.

As raízes da Termodinâmica firmam-se em problemas essencialmente práticos. Uma máquina a vapor ou uma turbina a vapor, por exemplo, usam o calor de combustão de carvão ou de outro combustível para realizar trabalho mecânico, a fim de movimentar um gerador de energia transformada. Essa transformação é feita, portanto, utilizando-se, geralmente, um fluido chamado fluido operante.

O calor, uma forma de energia em trânsito cedida ou recebida pelo fluido operante, pode ser analisado na base de energia mecânica macroscópica, isto é, das energias cinética e potencial de cada molécula do material, mas também é possível desenvolver os princípios da Termodinâmica sob o ponto de vista microscópico. Nesta apostila, evitamos deliberadamente este desenvolvimento, para enfatizar que os conceitos básicos da Termodinâmica podem ser tratados quase que integralmente de forma macroscópica.

1.2 Pressão

Considere-se um recipiente cilíndrico, que contém um gás ideal, provido de um êmbolo, de área A, que pode deslocar-se sem atrito, quando submetido a uma força resultante de intensidade F exercida pelo gás, como mostra a figura seguinte.

A pressão que o gás exerce sobre o êmbolo é dada por:

Fp = A

1.3 Propriedade, estado, processo e equilíbrio

Propriedade – características MACROS-

CÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO e TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.) é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo.

Estado – condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.

Processo – mudança de estado devido à alteração de uma ou mais propriedades.

Estado estacionário – nenhuma propriedade muda com o tempo.

Ciclo termodinâmico – seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado.

Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.

1.4 O gás ideal

O gás ideal pela análise newtoniana é aquele que tem as características mais próximas em um gás perfeito.

Termodinâmica Grandezas fundamentais de um gás:

P = pressão V = volume T = temperatura (kelvin)

Lei Geral das Transformações Gasosas

A Lei Geral dos Gases estabelece, utilizando a equação de Clapeyron, uma relação que permite analisar uma transformação qualquer, ocorrida com um gás perfeito, relacionando seu estado inicial e final.

1.5 Trabalho numa transformação

Considere-se um gás ideal contido num recipiente, como no item anterior. O trabalho numa transformação gasosa é aquele realizado pela força que o gás aplica no êmbolo móvel do recipiente.

Quando um gás expande-se, empurra as superfícies que o limitam, à medida que estas se movimentam no sentido da expansão. Assim, um gás em expansão sempre realiza um trabalho positivo. Para calcular o trabalho realizado por um sistema termodinâmico durante uma variação de volume, considere o fluido contido no cilindro equipado com um pistão móvel.

Numa expansão, o volume aumenta e o gás “realiza trabalho” sobre o meio externo.

Gás Ideal

O gás ideal é um gás fictício, de comportamento regido pelas leis da mecânica newtoniana: nas colisões, não perde energia; as forças de coesão são consideradas nulas; e cada molécula possui volume desprezível.

Equação de Clapeyron Esta equação estabelece uma relação en- tre as variáveis de estado (P, V, T) de um gás perfeito.

Clapeyron verificou que 1 mol (6,02 . 1023 moléculas) de qualquer gás perfeito, nas CNTP, tinha suas variáveis de estado relacionadas de tal modo que o quociente P . VT é sempre constante, ou seja: P . VRT = .

A constante R é denominada constante universal dos gases perfeitos. Seu valor depende das unidades de medida adotadas para as variáveis de estado.

Caso tomemos 1 mol de oxigênio, ou 1 mol de hidrogênio, ou 1 mol de gás carbônico (todos supostos gases perfeitos), para todos eles, o quociente P . VT será o mesmo e valerá R.

Assim, para um número (n) de mols, podese dizer que o quociente resulta em n.R.

p . V = n . R . T

Mistura Gasosa – Lei de Dalton

Esta lei estabelece que “a pressão total exercida por uma mistura gasosa é a soma das pressões parciais exercida pelos gases que compõem a mistura”, ou seja:

m A A B B mA B deslocamento do pistão área dopistão ∆S

Termodinâmica

Numa compressão, o volume diminui e o gás “recebe trabalho” do meio externo.

1.6 Transformação qualquer

Através do diagrama (P x V), pode-se determinar o trabalho associado a um gás numa transformação gasosa qualquer.

A área A, assinalada na figura acima, é numericamente igual ao módulo do trabalho. O sinal do trabalho depende do sentido da transformação.

Unidades

No S.I., o trabalho é medido em J (Joule), sendo 1J = 1 N/m2

Uma outra unidade utilizada é atm.L, em que 1 atm.L = 102 Nm.

1.7 Energia Interna

A energia interna (U) de um gás está associada à energia cinética de translação e rotação das moléculas. Podem também ser consideradas a energia de vibração e a energia potencial molecular (atração). Porém, no caso dos gases perfeitos, apenas a energia cinética de translação é considerada.

Demonstra-se que a energia interna de um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura (na Lei de Joule para os gases perfeitos). Para um gás monoatômico, temos que:

∆U depende de T (kelvin)

Portanto, a variação da energia interna

(∆U) depende unicamente da temperatura absoluta (T).

deslocamento do pistão área do pistão

τ = P . ∆V P = cte

Termodinâmica

2.1 Introdução

Para introduzir a 1.ª lei, escolher um sistema fechado indo de um estado de equilíbrio, para outro estado de equilíbrio, com o trabalho como única interação com o meio ambiente.

Num processo termodinâmico, como o visto acima, sofrido por um gás, há dois tipos de trocas energéticas com o meio exterior: o trabalho realizado (τ) e o calor trocado (Q). Como conseqüência do balanço energético, tem-se a variação da energia interna (∆U). Para um sistema constituído de um gás per- feito, tem-se que: (∆U= Q – τ ⇒ Q = ∆U + τ).

21.ª Lei da Termodinâmica

2.2 Transformações Gasosas

2.2.1 Processo Isobárico

Não há necessidade de definirmos o processo isobárico (pressão constante), pois na definição de trabalho termodinâmico, já vimos como neste processo, o gás realiza e recebe trabalho.

VK . t pcto p . V

Expansão V0 T0

0U 0 Q0

Lembrete: (V1/T1) = (V2/T2)

Compressão

∆U O sistemarecebe calor

O sistema cede calor

Trabalho realizadopelo gás (expansão)

Trabalho realizado pelo gás (expansão)

Q > 0T > 0

∆V < 0∆T < 0 τ < 0∆U < 0 Q < 0

2.2.2 Processo Adiabático

Um processo realizado de modo que o sistema não receba nem forneça calor é chamado adiabático. Em qualquer processo adiabático, isoterma

Processo Geral

Termodinâmica

Q = 0, ou seja, não ocorre troca de calor. Podese realizar este processo, envolvendo o sistema com uma camada espessa de um isolante térmico ou realizando-o rapidamente. A transferência de calor é um processo relativamente lento, de modo que qualquer processo realizado de maneira suficientemente rápida é praticamente adiabático. Aplicando-se a Primeira Lei a um processo adiabático, tem-se que:

Para Q = nulo, então, ∆U = trabalho

Compressão

Transformação Cíclica

A transformação cíclica corresponde a uma seqüência de transformações na qual o estado termodinâmico final é igual ao estado termodinâmico inicial, como, por exemplo, na transformação A B C D E A.

Assim, a variação de energia interna de um sistema, num processo adiabático, é igual em valor absoluto ao trabalho. Se o trabalho τ for negativo, como acontece quando o sistema é comprimido, então, – τ

será positivo, U2 será maior do que U1 e a energia do sistema aumentará. Se τ for po- sitivo, como na expansão, a energia interna do sistema diminuirá. Um aumento de energia interna é, normalmente, acompanhado de um aumento de temperatura e um decréscimo da energia interna, por uma queda de temperatura.

A compressão da mistura de vapor de gasolina e ar, que se realiza num motor de expansão à gasolina, constitui um exemplo de um processo aproximadamente adiabático, envolvendo um aumento de temperatura. A expansão dos produtos de combustão durante a admissão do motor é um processo aproximadamente adiabático, com decréscimo de temperatura. Os processos adiabáticos representam, assim, um papel importante na Engenharia Mecânica.

Como conseqüência de uma transformação cíclica, tem-se que:

O trabalho num ciclo corresponde à soma dos trabalhos.

Utilizando-se a propriedade da soma algébrica, conclui-se que o módulo do trabalho num ciclo é numericamente igual a área do gráfico (P x V).

Ciclo no sentido horário

Concluindo, Q = 0 e, então, o trabalho é (–∆ U).

2.2.3 Processo Isotérmico

No processo isotérmico, a temperatura permanece constante, portanto a variação da energia interna é nula, todo o calor recebido é convertido em trabalho.

A variação da energia interna num ciclo é nula.

U0∆=

O calor trocado pelo sistema durante um ciclo deve ser igual ao trabalho realizado durante o ciclo.

isotermas adiabática

V Área = τ

Termodinâmica Essa conclusão corresponde ao esquema de funcionamento de uma máquina térmica teórica, onde, através do fornecimento de calor, produz-se trabalho, sem que ocorra variação da energia interna.

∆U = 0 ⇒ Q = τ

2.2.4 Processo Isométrico

Como já foi visto, um processo que se realiza sob pressão constante é chamado isobárico. Quando a água entra na caldeira de uma máquina a vapor, seu aquecimento até o ponto de ebulição, sua vaporização e o superaquecimento do vapor são processos isobáricos. Tais processos são importantes na Engenharia e na Petroquímica.

Outro processo que merece atenção é quando o sistema opera de maneira que o volume permanece constante, ou seja , não realiza e nem recebe trabalho.

2.2.5 Processo de Estrangulamento

Como complementação nos processos termodinâmicos, o estrangulamento é um processo em que um fluido, originalmente sob pressão constante elevada, atravessa uma parede porosa ou uma abertura estreita (válvula de agulha ou válvula de estrangulamento) e passa para uma região de pressão constante baixa, sem que haja transmissão de calor.

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