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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Disciplina: Termodinâmica Aplicada Código: 30-275 Carga Horária: 80h (Teórica: 60h) (Prática: 20h) Créditos: 04 Pré-Requisito: 10-151
EMENTA Propriedade das substâncias puras. Teoria geral dos gases. Trabalho e calor. Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Misturas de substâncias. Introdução aos ciclos termodinâmicos: motores e de refrigeração.
OBJETIVOS A disciplina visa desenvolver habilidades para compreensão, interpretação, operação e aplicação dos conceitos e modelos termodinâmicos, a fim de desenvolver competências fundamentais para a solução de problemas de termodinâmica aplicada. Buscando-se atender estas competências alguns objetivos específicos são delineados: - Introduzir e consolidar a linguagem técnica utilizada para sistemas de energia; - Identificar as diversas formas de energia em um sistema e reconhecer a relação prático-teórico utilizada para abordagens de problemas termodinâmicos; - Determinar as propriedades das substâncias; - Ser capaz de modelar e avaliar processos que utilizam as leis da termodinâmica; - Avaliar processos termodinâmicos e dimensionar ciclos termodinâmicos; - Avaliar o desempenho máquinas térmicas e refrigeradores ou dispositivos que atuem na conversão de alguma forma de energia; - Aplicar as modelagens e conceitos trabalhados em problemas reais de engenharia térmica a serem trabalhados nas disciplinas subsequentes como a transferência de calor e a mecânica dos fluidos, além das disciplinas profissionalizantes relacionadas à área de fenômenos de transporte, como refrigeração industrial, ventilação e ar condicionado, instalações industriais e caldeiras e vasos de pressão. - Aprender de forma autônoma e lidar com situações e contextos complexos.
CONTEÚDOS CURRICULARES UNIDADE DE ENSINO 01 – CONCEITOS DE DEFINIÇÕES Fazer uma introdução aos conceitos relacionados aos principais sistemas térmicos de engenharia tais como ciclos motores de Rankine, Otto, Diesel e Brayton, bem como os ciclos de refrigeração. São trabalhos conceitos e definições fundamentais de sistema e volume de controle, definindo o estado e as propriedades (pressão, massa, temperatura e volume) de uma substância pura, para avaliações de ciclos termodinâmicos, além da definição da igualde de temperaturas e a Lei Zero da Termodinâmica. Esta unidade de ensino deve capacitar o acadêmico para a identificação de processos e sistemas termodinâmicos para posterior aplicação das leis da termodinâmica.
Atividade prática 01: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 02 – PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA Estabelecer os conceitos de uma substância pura simples e compressível e o equilíbrio termodinâmico, considerando-se as várias fases de uma substância pura, determinando o seu estado e suas propriedades, incluído a hipótese de gases perfeitos e o comportamento p-V-T, bem como fazer uma introdução as tabelas de propriedades computadorizadas, a fim de capacitar o acadêmico para a determinação do estado de uma substância.
Atividade prática 02: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 03 – TRABALHO E CALOR Definição de trabalho e suas unidades, bem como avaliar e quantificar as diferentes formas de realização de trabalho num sistema simples e compressível. Definição de calor e suas unidades, bem como avaliar e quantificar as diferentes formas de transferência de calor. Esta unidade de ensino visa capacitar o acadêmico para a aplicação do equacionamento básico sobre sistemas termodinâmicos na identificação e determinação das formas de transferência de calor e trabalho e sus impactos sobre o sistema.
Atividade prática 03: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 04 – PRIMEIRA LEI PARA UM SISTEMA Consolidar o conceito de balanço de massa e energia aplicando a Primeira Lei para um sistema que percorre um ciclo e para uma mudança de estado num sistema, fazendo-se a determinação da Energia Interna. Introdução e aplicação dos conceitos de calores específicos a volume e a pressão constantes para substâncias sólidas, líquidas e gases perfeitos. Determinação e aplicação da primeira lei em termos de fluxo. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para aplicações de balanços de energia sobre sistemas fechados, bem como a interpretação da primeira lei da termodinâmica.
Atividade prática 04: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
TDE 01 – Solução de um problema real envolvendo a primeira lei da termodinâmica para um sistema de massa fixa. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, elencar um problema térmico e fazer as simplificações necessárias para sua solução, a fim de que o acadêmico desenvolva as competências para de modelar e avaliar processos em sistemas termodinâmicos por meio de balanços de energia.
UNIDADE DE ENSINO 05 – PRIMEIRA LEI PARA VOLUMES DE CONTROLE Consolidar o conceito de balanço de massa e energia aplicando a Primeira Lei para um volume de controle, fazendo-se a determinação da entalpia. Aplicação da Primeira Lei em volumes de controle para os regimes permanente e uniforme. Introdução aos ciclos motores de refrigeração. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para aplicações de balanços de energia sobre sistemas abertos, bem como a avaliação preliminar de sistemas de potência e refrigeração.
Atividade prática 05: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
TDE 02 – Solução de um problema real envolvendo a primeira lei da termodinâmica para um volume de controle. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, elencar um problema térmico e fazer as simplificações necessárias para sua solução a fim de que o acadêmico desenvolva as competências para de modelar e avaliar processos em sistemas termodinâmicos por meio de balanços de massa e de energia.
UNIDADE DE ENSINO 06 – SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Definições de motores térmicos e refrigeradores para introdução dos conceitos da Segunda Lei da Termodinâmica para um ciclo. Determinação do processo reversível os fatores que os tornam irreversíveis. O ciclo de Carnot e seus teoremas. A escala termodinâmica de temperatura. Máquinas térmicas reais e ideais. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para a interpretação da segunda lei da termodinâmica.
Atividade prática 06: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 07 – SEGUNDA LEI PARA UM SISTEMA A Desigualdade de Clausius e a definição de Entropia para uma substância pura simples e compressível. Variação de entropia em processos reversíveis e irreversíveis. Geração de entropia e o princípio do aumento de entropia. Avaliação das variações de entropia em sólidos, líquidos e gases perfeitos. O processo politrópico reversível para um gás perfeito e a equação da taxa de variação de entropia. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para aplicações de balanços de energia e entropia sobre processos em sistemas fechados.
Atividade prática 07: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 08 – SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA PARA VOLUMES DE CONTROLE A 2ª Lei para volumes de controle e sua aplicação para os processos em regime permanente e uniforme. Princípio do aumento de entropia num volume de controle. Conceitos de eficiências, energia disponível, trabalho reversível e irreversibilidade. Disponibilidade e eficiência pela 2ª lei e a equação do balanço de exergia. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para aplicações de balanços de massa, energia e entropia sobre processos em sistemas abertos, bem como sua avaliação de eficiência.
Atividade prática 08: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
UNIDADE DE ENSINO 09 – MISTURAS DE SUBSTÂNCIAS Esta unidade de ensino visa trabalhar as considerações gerais de mistura de gases perfeitos e o modelo simplificado para uma mistura de gases e um vapor, primeira Lei para uma mistura a introdução à psicrometria, visando desenvolver competências para interpretação e simplificação de problemas termodinâmicos envolvendo misturas de substâncias.
Atividade prática 09: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
TDE 04 – Solução de um problema real de climatização envolvendo psicrometria. O objetivo será, a partir das modelagens trabalhadas, avaliar um processo termodinâmico (aquecimento, resfriamento, secagem e umidificação) envolvendo ar atmosférico utilizando o software IT ou ESS, por exemplo, visando desenvolver competências para implementações simples de modelos matemáticos em softwares específicos de engenharia.
UNIDADE DE ENSINO 10 – INTRODUÇÃO AOS CICLOS MOTORES E DE REFRIGERAÇÃO Introdução aos ciclos de potência: Rankine, Bryton, Otto e Diesel. A co-geração. Introdução aos ciclos frigoríficos: a ar e por compressão de vapor. O ciclo frigorífico por absorção de amônia. Ciclos combinados de potência e de refrigeração. Esta unidade de ensino visa capacitar o egresso para aplicações das leis da termodinâmica sobre sistemas de potência e refrigeração e seus impactos sobre o meio.
Atividade prática 10: Realização de exercícios de fixação dos conteúdos trabalhados.
TDE 05 – Modelagem de um ciclo termodinâmico (motor ou de refrigeração) utilizando o software IT – Interactive Thermodynamics, e sua avaliação de desempenho, visando desenvolver competências para implementações simples de modelos matemáticos em softwares específicos de engenharia.
METODOLOGIA Visando desenvolver competências apresentadas, as aulas são desenvolvidas de forma variada e tem como metodologias: a tradicional (expositivo-dialogadas com estudos dirigidos), a ativa e a sócio-interacionista. No intuito de desenvolver as competências inerentes à disciplina, podem ser utilizados recursos de multimídia como projetores de imagem e vídeo, materiais concretos e softwares matemáticos, e a contextualização ocorre através da resolução de problemas reais. Os alunos desenvolverão Trabalhos Discente Efetivos – TDEs no total de 20h, envolvendo resolução de exercícios e problemas reais com e sem auxílio de softwares específicos envolvendo a aplicação dos conceitos trabalhados à área da engenharia térmica.
AVALIAÇÃO A avaliação da disciplina se propõe a verificar se as competências propostas neste plano de ensino foram desenvolvidas pelo acadêmico, por meio dos seguintes instrumentos de avaliação: provas escritas e Trabalhos Discentes Efetivos, estes últimos valendo 20% da média parcial. As avaliações serão realizadas ao longo do semestre e distribuídas uniformemente de acordo com o plano de ensino. Numa aula que antecede uma avaliação serão dadas orientações a respeito da sistemática a ser adotada e os conteúdos exigidos, bem como os critérios específicos da avaliação. No instrumento de avaliação haverá de forma explícita e por escrito quanto valerá cada questão.
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BIBLIOGRAFIA BÁSICA VAN WYLEN, G. J; SONNTAG, R. E; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2003. LIVRO TEXTO MORAN, M. J.;SHAPIRO, H.N.; SCOFANO NETO, F.. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4º ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. LEVENSPIEL, O. Termodinâmica amistosa para engenheiros. São Paulo: Edgard Blücher, 2002.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ENGEL, Y. A. Termodinâmica. 5.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2006. POTTER, M. C. Termodinâmica. São Paulo: Thomson, 2006. SONNTAG, R. E; BORGNAKKE, C.. Introdução à termodinâmica para engenharia. Rio de Janeiro: LTC, 2003. BEJAN, A.. Advanced engineering thermodynamics. Estados Unidos: Wiley, 2006. INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos da transferência de calor e de massa.5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003.
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