Disciplina de Termodinâmica Aplicada

 

Objectivos

O programa da disciplina de Termodinâmica Aplicada, tendo presente os conceitos básicos de termodinâmica macroscópica, baseados nos três princípios básicos da Termodinâmica e no estudo dos diagramas termodinâmicos, tem por objectivo a análise termodinâmica do funcionamento dos sistemas termodinâmicos fechados, do funcionamento de alguns sistemas termodinâmicos abertos, a análise de ciclos de máquinas motrizes de fluido motor inerte, a introdução a ciclos de máquinas de fluido reactivo, e a termodinâmica da mistura ar-água e as suas aplicações. Permite conciliar a formação básica em termodinâmica macroscópica, já adquirida, com a introdução, dos futuros engenheiros mecânicos, ao projecto, análise e rendimento de sistemas termodinâmicos aplicados.

 

Programa Mínimo

A Termodinâmica Aplicada, alicerçada nos conceitos básicos de termodinâmica fenomenológica macroscópica, baseados nos três princípios básicos da Termodinâmica e no estudo dos diagramas termodinâmicos, permite desde logo a análise mais detalhada e critica dos citados diagramas, com o cálculo das variáveis e das suas equações fundamentais. Torna-se assim possível a análise termodinâmica do funcionamento dos sistemas termodinâmicos fechados, do funcionamento de alguns sistemas termodinâmicos abertos, a análise de ciclos de máquinas motrizes de fluido motor inerte, com a análise de rendimentos térmicos (alguns mesmo parciais e comparativos), a introdução a ciclos de máquinas de fluido reactivo, e a termodinâmica da mistura ar-água e as suas aplicações. São ainda abordados no âmbito da disciplina os princípios básicos de outros conversores de energia, incluindo os designados por “fuel cell”.

1. Revisão dos conceitos básicos de Termodinâmica Fenomenológica Macroscópica.

1.1 Revisão de conceitos básicos

            1.1.1. Os conceitos fundamentais

            1.1.2. O Primeiro Princípio da Termodinâmica e aplicações

            1.1.3. O Segundo Princípio da Termodinâmica e aplicações

            1.1.4. O Terceiro Princípio da Termodinâmica e aplicações

            1.1.5. Funções características de estado e aplicações

            1.1.6. Noção de exergia e aplicações simples.

2. Termodinâmica Energética de Sistemas Abertos.

2.1 Hipóteses fundamentais referentes ao fluído e ao seu movimento. Interacções entre a máquina térmica e o seu exterior.

            2.1.1. Tipos de referenciais

            2.1.2. Estado estacionário

            2.1.3. Velocidade particular

2.2. Variação global de uma grandeza extensiva associada ao fluído motor

            2.2.1. Variação de uma grandeza

            2.2.2. Superfícies de controle e natureza das trocas

2.3. Variação de massa e de energia total

            2.3.1. Massa e débito mássico

            - Expressão geral

            - Sistema estacionário

            2.3.2. Energia total

            - Definição

            - Variação da energia total

            - Equação dos trabalhos

            - Equação geral da conservação de energia

            - Caso do regime permanente

2.4. Variação da entropia e da quantidade de movimento

            2.4.1. Equação de conservação da entropia

            - Caso geral

            - Regime permanente

            2.4.2. Equação de conservação da quantidade de movimento

            - Caso geral

2.5 Variação de exergia

            2.5.1. Extensão da definição de rendimento exergético para o regime permanente

2.6. Exemplos de aplicação das equações de conservação

            2.6.1. Compressores e turbinas - cálculo do trabalho técnico absorvido e produzido

            2.6.2. Escoamento monodimensional adiabático de um fluido numa conduta de secção variável  -  tubeira convergente-divergente

            2.6.3. Expansão considerada sem variação de energia cinética, adiabática e sem produzir trabalho exterior

            2.6.4. Misturador isobárico e adiabático

            2.6.5. Exemplo de aplicação de um regime variável: enchimento de um reservatório com um débito mássico constante.

            2.6.6. Impulsão de um propulsor foguete colocado num banco de ensaios

            2.6.7. Exemplo de aplicação da conservação de exergia

2.7. Complementos de Termodinâmica dos Escoamentos

            2.7.1. Noção de celeridade

            2.7.2. A celeridade do som num meio homogéneo, isótropo e em repouso - relações de Mach

            2.7.3. Cálculo prático da celeridade do som

            2.7.4. Caso particular de um gás perfeito - exemplos de cálculo

3. Complementos da Análise dos Diagramas Termodinâmicos e Ciclos de Máquinas Térmicas

3.1 Complementos da Análise dos Diagramas Termodinâmicos

            3.1.1. Notas complementares

              3.1.2. Análise das  propriedades dos principais diagramas de água e de líquidos frigorigénios

            - Curvas isoparamétricas correntes e equações de aproximação

            - Sistemas de duas fases

            - Curvas isoparamétricas e temperatura de inversão

            - Sistemas de duas fases

3.2. Ciclos de máquinas térmicas de fluido inerte

              3.2.1. Ciclos – sistemas termodinâmicos de fluido motor inerte

              3.2.2. Ciclos a vapor de Carnot

              3.2.3. Ciclo de Rankine

              3.2.4. Desvio entre ciclos de potência reais e ideais.

              3.2.5. Ciclo de Rankine ideal com reaquecimento

              3.2.6. Ciclo de Rankine regenerativo ideal.

              3.2.7. Co-geração

              3.2.8. Aplicações práticas de projectos de engenharia.

3.3. Ciclos frigoríficos

            3.3.1. Máquinas frigoríficas e bombas de calor

            3.3.2. Ciclos de Carnot inverso

            3.3.3. Ciclo frigorífico ideal por compressão de vapor

            3.3.4. Ciclo frigorífico reais por compressão de vapor.

            3.3.5. Selecção de frigorigénio

            3.3.6. Sistema de bombas de calor.

            3.3.7. Sistemas inovadores de refrigeração por compressão de vapor

            3.3.8. Sistemas de refrigeração por absorção

            3.3.9. Sistemas termoeléctricos de refrigeração e de potência

3.4. Introdução a ciclos de potência de fluido reactivo

            3.4.1. Extensão da análise de ciclos de potência

            3.4.2. Síntese de motores alternativos

            3.4.3. Ciclo de Otto – ciclo aproximado para motores de faísca eléctrica

            3.4.4. Ciclo diesel.

            3.4.5. Ciclo Stirling e Ericson

            3.4.6. Ciclo Brayton.

            3.4.7. Ciclos ideais de propulsão a jacto

4. Termodinâmica da mistura ar-água

4.1. Introdução e importância deste estudo

4.2. As equações do comportamento da fase gasosa homogénea

            4.2.1. Propriedades do ponto de "rosée"

4.3. Parâmetros de composição

            4.3.1. Humidade absoluta

            4.3.2. Humidade relativa

4.4. Parâmetros e funções de estado de uma massa de ar húmido

            4.4.1. Volume mássico

            4.4.2. Entalpia

4.5. Utilização do diagrama entalpia de ar seco - humidade absoluta  para o cálculo das evoluções do ar húmido

4.6. Evoluções termodinâmicas importantes - exemplos de aplicação

            4.6.1. Arrefecimento isobárico - psicómetros

            4.6.2. Influência de um fluxo de calor exterior

            4.6.3. Saturação adiabática - termómetros de bolbo seco e húmido

            4.6.4. Mistura adiabática de duas massa de ar húmido

4.7. Aplicações industriais da mistura ar-água

            4.7.1. Sistemas de climatização

            4.7.2. Ar húmido e isolamento térmico

            4.7.3. Aerorefrigeradores

                        4.7.3.1. Princípio de funcionamento

                        4.7.3.2. Exemplo - torre de arrefecimento

                        4.7.3.3. Princípio de cálculo de instalação e ordens de grandeza de resultados obtidos

5. Outros sistemas conversores de energia

5.1. Introdução, enquadramento e importância dos sistemas conversores de energia

5.2. Sistemas “fuel cell

            5.2.1. Introdução e descrição dos vários sistemas de “fuel cell

            5.2.1. Integração em sistemas de engenharia de conversão e conservação de energia

5.3. Projectos alternativos

 

Docentes

Nome José Manuel Baranda Moreira da Silva Ribeiro

Email – jose.baranda@dem.uc.pt

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Nome – Pedro de Figueiredo Vieira Carvalheira

Email – pedro.carvalheira@dem.uc.pt

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Nome – Ricardo António Lopes Mendes

Email – ricardo.mendes@dem.uc.pt

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