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RICHARD E. SONNTAG CLAUS BORGNAKKE Universidade de Michigan GORDON J, VAN WYLEN Hope College FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA TRADUÇÃO DA 5º EDIÇÃO AMERICANA Tradução: Engº EURYALE DE JESUS ZERBINI Professor Doutor do Depto. de Engenharia Mecânica da EPUSP . Integral Engenharia, Estudos e Projetos | Cp EDITORA EDGARD BLÚCHER LrDA. ANE o vi FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA Vários tópicos avançados foram removidos dos cinco capítulos finais desta edição. O Cap. I2 atual só trata das misturas de gases perfeitos (incluindo as misturas de ar com vapor d'água). A apresentação das relações termodinâmicas no Cap. 13 foi reorganizada. As determinações das variações das propriedades nas mudanças de fase agora estão localizadas no início do capítulo e precedem a avaliação das variações de propriedades em fases homogêneas. Esta abordagem é mais suave e natural do que àquela utilizada nas edições anteriores. A introdução das funções de Helmholtz e de Gibbs surgem a partir da necessidade lógica da utilização de propriedades mensuráveis para a avaliação das variações de entropia. As variáveis fugacidade, atividade e fator acêntrico não são mais analisadas porque são desnecessárias numa abordagem dirigida a cursos de graduação. Finalmente, o tratamento de substâncias puras reais e o modelo básico para misturas de gases reais são introduzidos no final deste capítulo. Alguns tópicos avançados também foram removidos dos Caps. 14 e 15. A função de Gibbs de formação, que não é necessária para o cálculo das constantes de equilíbrio químico, e o equilíbrio de fases em sistemas multicomponentes reais não são mais abordados. A seção sobre os escoamentos através de passagens entre pás foi removida do Cap. 16. Assim, este capítulo passa a apresentar apenas o material básico sobre escoamentos compressíveis. Nós reconhecemos que, em muitos casos, o material deste capítulo não será tratado em muitos cursos de termodinâmica, mas poderá ser abordado em outras disciplinas da estrutura curricular. Esta edição apresenta, após a definição de calor no Cap. 4, uma breve introdução aos modos de transferência de calor. Nós incluímos este material para fomentar uma discussão ampliada sobre a natureza da transferência de calor. Esta seção é independente e não precisa ser coberta por aqueles que não gostam de discutir este assunto num curso introdutório de termodinâmica. As tabelas do Apêndice foram revisadas e atualizadas. Os resultados apresentados são compatíveis com os presentes nas tabelas mais abrangentes contidas no nosso livro “Thermodynamic and Transport Properties” (1997). Além disso, o disco de computador que acompanha este livro fornece todas as informações contidas no Apêndice. As vantagens dos novos programas são que estes podem ser executados sob o sistema operacional Windows e as propriedades calculadas nos programas podem ser exportadas para planilhas de cálculo. Nós tentamos, ao longo de todo o livro, manter uma perspectiva de engenharia, principalmente através da escolha dos exemplos e problemas. Existem muitos problemas novos em todos os capítulos desta edição e, em especial, nos capítulos que tratam da primeira e da segunda lei da termodinâmica. A apresentação dos problemas, em cada um dos capítulos, começa com um conjunto de problemas adequados aos alunos de graduação. Os problemas avançados estão sempre localizados após estes conjuntos. Estes problemas são dirigidos aqueles que desejam analisar situações mais desafiadoras. As seções de problemas normalmente são finalizadas com um conjunto de pequenos projetos, problemas abertos e problemas que devem ser resolvidos numericamente. A maior parte deste material é igual aquele encontrado na edição anterior. No que se refere aos símbolos utilizados neste texto, tentamos ser consistentes ao longo de todo o livro. Nós utilizamos, num pequeno número de casos, o mesmo símbolo para mais de uma finalidade. Acreditamos, porém, gue nestes casos o contexto sempre esclarecerá o significado do símbolo adotado. Todas as unidades utilizadas nos exemplos e problemas desta edição são as do sistema internacional, SI (Le Systême International d'Unités). Entretanto, reconhecemos que ainda é utilizado o sistema inglês de unidades e por isto, no Cap. 2, introduzimos uma seção sobre este sistema. Neste sistema de unidades é importante distinguir a unidade de força da de massa, Por este motivo, os símbolos Ibf e lbm são utilizados, respectivamente, para libra força e para libra massa. Para a pressão não se utilizou o símbolo psi mas Ibffin? e para o volume específico utitizou-se ft*/Ibm em vez de cu ft/lb. Isto foi feito intencionalmente para que a distinção se torne evidente. Ao longo de todo o texto, nas tabelas de propriedades termodinâmicas e na maioria dos exemplos e problemas, utilizamos as unidades básicas para pressão (pascal) e volume (metro cúbico), apesar de termos usado extensivamente o litro como unidade de volume. Alguns PREFÁCIO vii professores podem desejar utilizar mais extensivamente o bar como unidade de pressão. Nós acreditamos que tal flexibilidade no uso dessas unidades não acarretará dificuldades especificas ao estudante. Quanto às propriedades extensivas, letra minúscula (4, A, s) designa a propriedade por unidade de massa, letra maiúscula (U, H, S) a propriedade para todo o sistema; letra minúscula com barra (7,h,5) a propriedade por unidade molar (neste texto, normalmente, quilomo] ou kmot), e letra maiúscula com barra (U ,H.S ) a propriedade molar parcial. Segundo esse padrão, achamos conveniente designar a quantidade total de calor transferido por Q. a quantidade de calor transferido por unidade de massa do sistema por q, o trabalho total por We tabalho por unidade de massa do sistema por w. Além disso, representamos os fluxos através da fronteira do sistema ou da superfície de controle por um ponto sobre uma dada quantidade. Assim Q representa a taxa de transferência de calor através da fronteira de um sistema; W, a taxa na qual o trabalho atravessa a fronteira do sistema (isto é, potência); e m, o fluxo de massa do escoamento através de uma superfície de controle (à é utilizado quando este fluxo é expresso em moles por unidade de tempo). Temos consciência de que fugimos do uso matemático comum desta notação (que normalmente se refere à derivada em relação ao tempo). No entanto, usamo-la apenas para indicar os fluxos de calor e trabalho através da fronteira de um sistema e dos fluxos de calor, trabalho e massa, através de uma superfície de controle. Acreditamos que isso contribui para um uso simples e consistente da notação neste livro. Agradecemos muito as sugestões, consclhos e apoio de muitos colegas, tanto da Universidade de Michigan como de outros lugares. Essa assistência nos foi bastante útil durante a preparação desta edição e também das edições anteriores do nosso livro, Muitos estudantes de graduação e de pós-graduação nos ajudaram muito na elaboração deste livro; as suas questões inteligentes frequentemente nos levaram a reescrever ou a repensar uma dada parte do texto, ou à tentar desenvolver um modo melhor de apresentar a matéria e prever tais questões ou dificuldades. Precisamos destacar o agradecimento aos Drs. Young Moo Park, Kyoung Kuhn Park c Youngil Kim, ex-alunos de pós-graduação na Universidade de Michingan, que nos ajudaram neste projeto, especialmente no desenvolvimento dos programas de computador presentes nas duas últimas edições deste livro. Finalmente, para cada um de nós, o encorajamento e a paciência de nossas esposas e famílias foram indispensáveis e fizeram com que o período em que escrevemos o livro fosse agradável, a despeito das pressões do projeto. Nós também gostaríamos de agradecer as pessoas que responderam a pesquisa realizada para delinear a quinta edição deste texto. Muitas informações valiosas foram recolhidas nesta pesquisa e várias delas foram utilizadas na elaboração da quinta edição deste livro. Esperamos que este texto venha a colaborar no ensino efetivo da termodinâmica para estudantes, que terão pela frente desafios e oportunidades significativas no decorrer de suas carreiras profissionais. Os comentários, críticas e sugestões dos leitores serão muito apreciados. Richard E. Sonntag Claus Borgnakke Gordon J. Van Wylen Ann Arbor, Michigan Setembro de 1997 LISTA DE SÍMBOLOS a aceleração a, A — [unção de Helmholtz específica e função de Hetmholtz total AC relação ar-combustível c fração em massa c velocidade do som CA relação combustível-ar Cp coeficiente de descarga tp calor específico a pressão constante [e calor específico a volume constante [or] calor específico a pressão constante c pressão zero co calor específico a volume constante e pressão zero e, E energia específica e energia total EC energia cinética EP energia potencial F força g aceleração da gravidade g,G função de Gibbs específica e função de Gibbs total Be constante que relâciona força, massa, comprimento e tempo h.H | entalpia específica e entalpia total corrente elétrica irreversibilidade fator de proporcionalidade entre as unidades de trabalho e de calor relação entre calores específicos: c, /c, constante de equilíbrio comprimento massa t I J k K L m m fluxo de massa (vazão em massa) M peso molecular M número de Mach n número de moles n expoente politrópico Pp pressão A pressão parcial do componente i numa mistura py pressão relativa, utilizada fias tabelas de gás 9,0 calor transferido por unidade de massa e calor transferido total Q calor transferido por unidade de tempo (taxa de transferência de calor) Qu, Q, transferência de calor num corpo a alta temperatura e num corpo a baixa temperatura; O sinal é determinado no contexto constante do gás constante universal dos gases s,S | entropia específica e entropia total ALGUNS COMENTÁRIOS PRELIMINARES 11 Escoamento principal Escoamento secundário (Bypass) Figura 1.13 — Motor a jato "turbofan" (cortesia da General Electric Aircraft Engines) A temperatura dos gases de combustão na seção de saída da turbina, nas instalações estacio- nárias, apresenta valores relativamente altos. Assim, este ciclo pode ser combinado com um outro que utiliza água como fluido de trabalho. Os gases de combustão, já expandidos na turbina, trans- ferem calor para a água, do ciclo de potência a vapor, antes de serem transferidos para a atmosfera. Os gases de combustão apresentam velocidade altas na seção de saída do motor a jato, Isto é feito para gerar a força que movimenta os aviões. O projeto das turbinas a gás dedicadas a este fim é realizado de modo diferente daquele das turbinas cstacionárias para a geração de potência, onde o objetivo é maximizar a potência a ser retirada no eixo do equipamento. A Fig. 1.13 mostra o corte de um motor a jato, do tipo "turbofan", utilizado em aviões comerciais, Note que o primeiro estágio de compressão, localizado na região próxima à seção de entrada do ar na turbi- na, também força o ar a escoar pela superfície externa do motor, proporcionando o resfriamento deste e também um empuxo adicional. 1.7 MOTOR QUÍMICO DE FOGUETE O advento dos mísseis e satélites pôs em evidência o uso do motor de foguete como instala- ção propulsora. Os motores químicos de foguetes podem ser classificados de acordo com o tipo de combustível utilizado, ou seja: sólido ou líquido. A Fig. 1.14 mostra o diagrama simplificado de um foguete movido a combustível líquido. O oxidante e o combustível são bombeados, através da placa injetora, para a câmara de combustão, onde este processo ocorre a alta pressão. Os produtos de combustão, a alta temperatura e alta pressão, expandem ao escoarem através do bocal. O resultado desta expansão é uma aita velocidade de descarga dos produtos. A variação da quantidade de movimento, associada ao aumento da velocidade, fornece o empuxo sobre o veículo. O oxidante e o combustível devem ser bombeados para a câmara de combustão. Para que isto ocorra é necessária alguma instalação auxiliar para acionar as bombas. Num grande foguete SS xi FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA ÍNDICES INFERIORES e propriedade no ponto crítico e estado de uma substância que entra no volume de controle f formação i propriedade do sólido saturado it diferença de propriedades, entre a de líquido saturado e a de sólido saturado iv diferença de propriedades, entre a de vapor saturado e a de sólido saturado Í propriedade do líquido saturado lv diferença de propriedades, entre a de vapor saturado e a de líquido saturado r propriedade reduzida 5 processo isoentrópico propriedade de uma substância que sai do volume de controle propriedade do meio propriedade de estagnação propriedade do vapor saturado e. volume de controle “.“00Ca ÍNDICES SUPERIORES = a barra sobre o símbolo indica uma propriedade em base molar (a barra indica propriedade molar parcial quando aplicada sobre V, H,S, U, A e G) 9 propriedade na condição do estado padrão * gás perfeito * propriedade na seção mínima de um bocal rev reversível rrra v. Ex Mo va BE Tomtoa, 688! 889 Data HM. Ds. Es Preço... Uompra BIBLIOTECA . CEFET ALGUNS COMENTÁRIOS”, PRELIMINARES problemas apresentados se referem a processos que ocorrem em equipamentos, tais (com: trais termoelétricas, células de combustível, refrigeradores por compressão de vapor, res termoelétricos, motores de foguete e equipamentos de decomposição do ar. Nós apresentaremos, neste capítulo preliminar, uma breve descrição desses equipamentos. Há pelo menos duas razões para a inclusão deste capítulo. A primeira é que muitos estudantes tiveram pouco contato com tais equipamentos e a solução dos problemas será mais significativa, é proveitosa, se eles já tiverem alguma familiaridade com os equipamentos e os processos reais envolvidos. A segunda é que este capítulo fornece uma introdução à termodinâmica, incluindo a utilização correta de certos termos (gue serão rigorosamente definidos nos capítulos posteriores), mostra alguns dos problemas para os quais a termodinâmica é importante e alguns aperfeiçoamentos que resultaram, pelo menos em parte, da aplicação da termodinâmica. Devemos ressaltar que a termodinâmica é importante para muitos outros processos que não são abordados neste capítulo. Ela é básica, por exemplo, para o estudo de materiais, das reações químicas e dos plasmas. Os estudantes devem ter em mente que este capítulo é somente uma introdução breve e, portanto, incompleta ao estudo da termodinâmica. No decorrer do nosso estudo da termodinâmica, uma parte significativa dos exemplos é n- dores 1.1 INSTALAÇÃO SIMPLES DE UMA CENTRAL TERMOELÉTRICA A Fig. 1.1 mostra o diagrama esquemático de uma central termoelétrica. Note que vapor superaquecido e a alta pressão deixa a caldeira, que também é chamada de gerador de vapor, e entra na turbina. O vapor expande na turbina e, em o fazendo, realiza trabalho, o que possibilita à turbina acionar o gerador elétrico. O vapor a baixa pressão deixa a turbina e entra no conden- sador, onde há transferência de calor do vapor (condensando-o) para a água de refrigeração. Como é necessária uma grande quantidade de água de refrigeração, as centrais termoelétricas são fregiientemente instaladas perto de rios ou lagos. Essa transferência de calor para a água dos lagos e rios cria um problema de poluição térmica que tem sido muito estudado nos últimos anos. Chaminé Entrada de ar (saida dos gases) Pré - aquecedor de ar 1 Vapor superaquecido - aalta pressão - Gerador Ar aquecido À Economizador Vapor a baixa Superaquecedor pressão Saida da água de refrigeração Combustivel Condensador Gerador dê vapor O Bomba Água de refrigeração proveniente de um rig, lago ou torre de resfriamento Água para p gerador de vapor (alta pressão e baixa temperatura) Figura 1.1 — Diagrama de uma central termoelétrica ALGUNS COMENTÁRIOS PRELIMINARES 3 Durante nosso estudo da termodinâmica passaremos a compreender porque essa transferência de calor é necessária e os meios para minimizá-la, Quando o suprimento de água de refrigeração é limitado, uma torre de resfriamento pode ser utilizada. Uma parte da água de refrigeração evapora na torre de resfriamento de modo a baixar a temperatura da água que permanece no estado líquido. A pressão do condensado, na saída do condensador, é aumentada na bomba, permitindo que o condensado escoe para o gerador de vapor. Em muitos geradores de vapor utiliza-se um economizador. Este equipamento é simplesmente um trocador de calor no qual transfere-se calor dos produtos de combustão (após terem escoado pelo vaporizador) para o condensado. Assim, a temperatura do condensado é elevada mas evitando-se a evaporação. No vaporizador, transfere-se calor dos produtos de combustão para a água, evaporando-a. A temperatura em que se dá a evaporação é chamada temperatura de saturação. O vapor então escoa para um outro trocador de calor, chamado superaquecedor, no qual a temperatura do vapor é elevada acima da temperatura de saturação. O ar que é utilizado na combustão, na maioria das centrais de potência, é pré-aquecido num trocador de calor conhecido como pré-aquecedor. Este está localizado a montante da chaminé e o aumento de temperatura do ar é obtido transferindo-se calor dos produtos de combustão. O ar pré-aquecido é então misturado com o combustível -— que pode ser carvão, óleo combustível, gás natural ou outro material — e a oxidação ocorre na câmara de combustão. À medida que os produtos da combustão escoam pelo equipamento, transfere-se calor para a água, no superaquece- dor, no vaporizador (caldeira), no economizador, e para o ar no pré-aquecedor. Os produtos da combustão das usinas são descarregados na atmosfera e se constituem num dos aspectos do problema da poluição atmosférica que ora enfrentamos. Uma central termoelétrica de grande porte apresenta muitos outros acessórios. Alguns deles serão apresentados nos capítulos posteriores. FE. FE TUE]. Descarga do +-— superaquecedor E Vapor para o tu =| — superaquacedor Superaçumcador Descarga do economizador — Ff H Economizador — e enredo acomenizaao a Depósmos de cado Ea dear —.| Dutodar » q * Alimentadores ES vtd — h coça | No Demi! EEN O e Asricão . : A WON) Pulverizadores U ventiador de ar primário Figura 1.3 — Gerador de vapor de grande porte (cortesia da Babcock and Wilcox Co.) 4 FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA ua Água mm Mistura água-vapor Vapor -- Elétrica seeses Blindagem Talha para 25 ton ! Turbina Gerador Ja vapor elétrico É a Linha de transmissão Excitatriz E 138 kV f l E eoaçça E = Aquec. água E | pe alimentação, ; em) ! e | Si | Ls qu | a! FE Disjuntora Transtor- Disjuntora Equipamentos de Condensado (or | Válvula de ? óleo de mador óleo de alimentação e con- segurança alta tensão baixa tensão trole da excitatriz Figura 1.4 — Diagrama esquemático da usina nuclear de Big Rock Point da Consumers Power Company, em Charlevoix, Michigan (cortesia da Consumers Power Company) A Fig. 1.2 mostra uma turbina a vapor e o gerador por ela acionado. A potência das turbinas a vapor varia de menos de 10 até 1.000.000 quilowatts. A Fig. 1.3 mostra o corte de uma caldeira de grande porte e indica os escoamentos dos pro- dutos de combustão e do ar. O condensado, também chamado de água de alimentação, entra no economizador e vapor superaquecido sai pelo superaquecedor. O número de usinas nucleares em funcionamento tem aumentado de maneira significativa. Nestas instalações o reator substitui o gerador de vapor da instalação termoelétrica convencional e os elementos radioativos substituem o carvão, óleo, ou gás natural. Os reatores existentes apresentam configurações diversas. Um delas, como mostra à Fig. 1.4, € o reator de água fervente. Em outras instalações, um fluido secundário escoa do reator para o gerador de vapor, onde há transferência de calor do fluido secundário para a água que, por sua vez, percorre um ciclo de vapor convencional. Considerações de segurança e a necessidade de manter a turbina, o condensador e os equipamentos conjugados a salvo da radioatividade são fatores importantes no projeto e operação de uma usina nuclear. 1.2 CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL Quando uma usina termoelétrica convencional é vista como um todo, como mostra a Fig. 1.5, verificamos que o combustível e o ar entram na mesma e os produtos da combustão deixam a unidade. Há também uma transferência de calor para a água de refrigeração e é produzido traba- lho na forma de energia elétrica . O objetivo global da unidade é converter a disponibilidade (para produzir trabalho) do combustível em trabalho (na forma de energia elétrica) da maneira mais eficiente possível mas levando em consideração os custos envolvidos, o espaço necessário para a operação da usina, sua segurança operacional e também o impacto no ambiente provocado pela construção e operação da usina. Poderíamos perguntar se são necessários todos os equipamentos da usina; tais como: O geradof de vapor, a turbina, o condensador c a bomba; para a produção de energia elétrica. Não seria possível produzir energia elétrica a partir do combustível de uma forma mais direta? ” 6 FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA 2H, > 4H* + de” Os elétrons fluem através do circuito externo e os íons de hidrogênio fluem através da membrana para o catodo, onde ocorre a reação: 4H* + de + 0, 2H,0 Há uma diferença de potencial entre o anodo e o catodo, resultando daí um fluxo elétrico que, em termos termodinâmicos, é chamado trabalho. Poderá haver também uma troca de calor entre a célula de combustível e o meio. Atualmente, o combustível mais utilizado em células de combustível é o hidrogênio ou uma mistura gasosa de hidrocarbonetos e hidrogênio e o oxidante normalmente é o oxigênio. Entre- tanto, as pesquisas atuais estão dirigidas para o desenvolvimento de células de combustível que usam hidrocarbonetos e ar. Embora as instalações a vapor convencionais ou nucleares ainda sejam largamente empregadas em centrais geradoras, e motores convencionais de combustão interna e turbinas a gás como sistemas propulsores de meios de transporte, a célula de combus- tível poderá se tornar uma séria competidora. Ela já esta sendo utilizada como fonte de energia em satélites artificiais. A termodinâmica tem um papel vital na análise, desenvolvimento e projeto de todos os sistemas geradores de potência, incluindo-se nesta classificação os motores alternativos de com- bustão interna e as turbinas a gás. Considerações como: aumento de eficiência, aperfeiçoamento de projetos, condições ótimas de operação e métodos diversos de geração de potência envolvem, entre outros fatores, a cuidadosa aplicação dos princípios da termodinâmica. 1.3 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR A Fig. 1.7 mostra o esquema de um ciclo simples de refrigeração por compressão de vapor. O refrigerante entra no compressor como vapor ligeiramente superaquecido a baixa pressão. O vapor é descarregado do compressor e entra no condensador como vapor numa pressão elevada, onde a condensação do refrigerante é obtida pela transferência de calor para a água de refrigera- ção ou para o meio. O refrigerante deixa o condensador, como líquido, a uma pressão elevada. Sua pressão é reduzida ao escoar pela válvula de expansão, resultando numa evaporação instantânea de parte do líquido. O líquido restante, agora a baixa pressão, é vaporizado no evapo- rador. Esta vaporização é o resultado da transferência de calor do espaço que está sendo refrige- rado para o fluido refrigerante. Após esta operação o vapor retorna para o compressor. Numa geladeira doméstica o compressor está localizado na parte traseira inferior. Os compressores são selados hermeticamente, isto é, o motor e o compressor são montados numa carcaça fechada e ós fios elétricos do motor atravessam essa carcaça. Isso é feito para evitar o vazamento do refrigerante. Iransterência de calor para oar ambiente ou água de refrigeração f 1 Vapor a alta pressão Condensador Líquido a alta pressãd—a| Compressor válvula de expansão =| me Trabalho Mistura de líquido é Vapor a baixa vapor a baixa pressão pressão Evapprador Figura 1.7 — Diagrama [ esquemático de um ciclo Transferência de calor simples de refrigeração do espaço refrigerado ALGUNS COMENTÁRIOS PRELIMINARES 7 (09 SUMIOpUOS IV ISUJ2D BP BIS9LOS) OpeuoLoIpuOS Ie op emISjsts WIM SP opderaBugal ap epepiu — 81 vandia enbz op sopelijsa; 0 ered ou opinby ejueioBugo! op oxn|j ap ajojuoo enbe op enBe op ojuswenjsa! ap OjuauBujsa soqgny sop Jope! De BJOdE Ad ep sognj ouy opinhi ejueJaBiges O opssold exIsq E EJOdEAS JOpEZaUODS op pjueioBujoH Jopesuspuoo op Jopesuaptios op enbe ep enbe op sognp sogny Sop Jopai or estuaptoa opauuduoo ejueiabuyar] JOSSSIduioo Op OBSSIUpY a Jossaiduos op quaueuoos ep Jojo aqueisBuyos op oBnjuuso Josseiduroo ALGUNS COMENTÁRIOS PRELIMINARES 9 1.5 O EQUIPAMENTO DE DECOMPOSIÇÃO DO AR Um processo de grande importância industrial é a decomposição do ar, no qual este é sepa- rado nos seus vários componentes. O oxigênio, nitrogênio, argônio e gascs raros são obtidos deste modo e podem ser extensivamente utilizados em várias aplicações industriais, espaciais e como bens de consumo. O equipamento de decomposição do ar pode ser considerado como um exemplo de dois campos importantes: o da indústria dos processos químicos c o da criogenia. Criogenia é um termo que diz respeito a tecnologia, processos e pesquisas em temperaturas muito baixas (geralmente inferiores a 150 K). A termodinâmica é básica para a compreensão dos fenômenos que ocorrem tanto nos processos químicos como na criogenia, e, assim, ela é fundamental no projeto e desenvolvimento de processos e equipamentos. Foram desenvolvidas diversas concepções para as instalações de decomposição do ar. A Fig. 1.11 mostra um esquema simplificado de um tipo destas instalações. Comprime-se o ar atmosfé- rico até uma pressão de 2 a 3 MPa (megapascal). Ele é então purificado, retirando-se basicamente o dióxido de carbono que iria solidificar nas superfícies internas dos equipamentos e assim inter- rompendo os escoamentos e provocando a parada da instalação. O ar é então comprimido a uma pressão de 15 a 20 MPa, resfriado até a temperatura ambiente no resfriador posterior e secado para retirar o vapor d'água (que também iria obstruir as seções de escoamento ao solidificar ). A refrigeração básica no processo de liquefação é alcançada com dois processos diferentes. Um envolve a expansão do ar no expansor. Durante esse processo o ar realiza trabalho e, em consegiiência, sua temperatura é reduzida. O outro processo de refrigeração envolve a passagem do ar por uma válvula de estrangulamento, projetada e localizada de tal forma que provoca uma queda substancial da pressão do ar e, associada a esta, uma queda significativa da temperatura. Como mostra a Fig. 1.11, 0 ar seco a alta pressão entra num trocador de calor. A temperatura do ar diminui à medida que este escoa através do trocador de calor. Num ponto intermediário do trocador de calor, uma parte do escoamento de ar é desviada ao expansor. O restante do ar continua a escoar pelo trocador de calor e depois passa pela válvula de estrangulamento. As duas correntes se misturam, ambas a pressão de 0,5 a 1 MPa e entram na parte inferior da coluna de destilação, que também é chamada de coluna de alta pressão. Sua função é separar o ar em seus vários componentes, principalmente oxigênio e nitrogênio. Duas correntes de composições diferentes escoam da coluna de alta pressão para a coluna superior (também chamada coluna de baixa pressão) através de válvulas de estrangulamento. Uma delas é um líquido rico em oxigênio que escoa da parte inferior da coluna mais baixa e a outra e uma corrente rica em nitrogênio que escoa através do sub-resfriador. Nitrogênio Coluna de gasoso destilação Resfriador posterior [gecader Tanque de Compressor de y oxigénio lfquido alta pressão ( k me! Trocador de calor Sub- 4 Purificador de ar resfriador to iT) Oxigênio aa liquido Compressor de Expansor baixa pressão Válvula de Absorvedor de Tomada de estrangulamento hidrocarbonetos ar fresco Figura 1.11 — Diagrama simplificado de uma instalação de oxigênio líquido 10 FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA A separação é finalizada na coluna superior, com o oxigênio líquido saindo pelo fundo da coluna superior e o nitrogênio gasoso pelo topo da mesma. O nitrogênio gasoso escoa utravés do sub-resfriador e do trocador de calor principal. A transferência de calor ao nitrogênio gasoso frio provoca o resfriamento do ar que entra no trocador de calor a alta pressão. A análise termodinâmica é essencial, tanto para o projeto global de um sistema, como para o projeto de cada componente de tal sistema, incluindo-se os compressores, o.expansor, os purifica- dores, os secadores e a coluna de destilação. Note que nós devemos lidar com os princípios que descrevem o comportamento das misturas e também com a avaliação das propriedades termodi- nâmicas das misturas nesse processo de separação. Esse tipo de problema também é encontrado na refinação do petróleo e em muitos outros processos químicos. É importante ressaltar que a criogenia é fundamental para muitos aspectos do programa espacial e que é essencial um conhecimento amplo da termodinâmica para realizar um trabalho criativo e efetivo nesta árca. 1.6 TURBINA A GÁS À operação básica de uma turbina a gás é similar a do ciclo de potência a vapor, mas o fluido de trabalho utilizado é o ar. Ar atmosférico é aspirado, comprimido no compressor e encaminha- do, a alta pressão, para uma câmara de combustão. Neste componente o ar é misturado com o combustível pulverizado e é provocada a ignição. Deste modo obtém-se um gás a alta pressão e temperatura que é enviado a uma turbina onde ocorre a expansão dos gases até a pressão de exaustão. O resultado destas operações é a obtenção de potência no eixo da turbina. Parte desta potência é utilizada no compressor, nos equipamentos auxiliares e o resto, a potência líquida, pode ser utilizada no acionamento de um gerador elétrico. A energia que não foi utilizada na geração de trabalho ainda permanece nos gases de combustão. Assim estes gases podem apresen- tar alta temperatura ou alta velocidade. A condição de saída dos gases da turbina é fixada em projeto e varia de acordo com a aplicação deste ciclo. A Fig. 1.12 mostra uma turbina a gás esta- cionária, de grande porte e que é utilizada na geração de potência. A unidade apresenta 16 estágios de compressão, 4 estágios de expansão e potência de 150 MW. Note que não ocorre a circulação de fluido de trabalho na turbina a gás como no caso da água no ciclo de potência a vapor (o oxigênio do ar é utilizado na combustão e os gases produzidos na câmara apresentam composição química diferente da do ar). A turbina a gás é usualmente preferida, como gerador de potência, nos casos onde existe problema de disponibilidade de espaço físico e se deseja gerar grandes potências. Os exemplos de aplicação das turbinas a gás são: motores aeronáuticos, centrais de potência para plataformas de petróleo, motores para navios e helicópteros, pequenas centrais de potência para distribuição local e centrais de potência para atendimento de picos de consumo. Figura 1.12 — Turbina a gás de 150 MW (cortesia da Westinghouse Electric Co.) 
