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Júpiter - Sistema de Gestão Acadêmica da Pró-Reitoria de Graduação


Escola Politécnica
 
Engenharia Mecânica
 
Disciplina: PME3398 - Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

Créditos Aula: 4
Créditos Trabalho: 0
Carga Horária Total: 60 h
Tipo: Semestral
Ativação: 01/01/2016 Desativação:

Objetivos
Apresentar os conceitos fundamentais da Termodinâmica e Transferência de Calor, enfatizando a aplicação no campo de Engenharia Mecânica e Industrial. Após o curso, o aluno deve ser capaz de usar os conhecimentos básicos e habilidades adquiridas na concepção, implementação e avaliação de novos produtos, sistemas ou serviços. O formato de apresentação do conteúdo e abordagem dos tópicos visa incentivar a autocrítica e o bom senso na prática da Engenharia.
 
To present the fundamental concepts in Thermodynamics and Heat Transfer, emphasizing applications in Mechanical and Industrial Engineering. After the course, the student should be able to use the basic knowledge and skills he or she acquired in the conception, implementation and evaluation of new products, systems or services. The way the contents are presented and the topics are approached aims to improve the self-awareness and common sense in engineering practice.
 
 
Docente(s) Responsável(eis)
5179534 - Fernando Luiz Sacomano Filho
 
Programa Resumido
Definições e conceitos fundamentais em Termodinâmica; Propriedades de uma substância pura; Trabalho e calor; Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas e volumes de controle; Segunda Lei da Termodinâmica para sistemas e volume de controle; Conceito de entropia; Ciclos motores e de refrigeração a vapor; Introdução à transferência de calor; Introdução à condução; Condução unidimensional em regime permanente; Introdução à convecção; Convecção forçada em escoamento externo e em escoamento interno; Convecção natural; Radiação.
 
Thermodynamics: definitions and fundamental concepts; Properties of a pure substance; Work and heat; First Law of Thermodynamics for closed systems and control volumes; Second Law of Thermodynamics for closed systems and control volumes; Entropy; Power and refrigeration systems with phase change; Introduction to heat transfer; Introduction to conduction; One-dimensional, steady-state conduction; Introduction to convection; Forced convection in external and internal flows; Free convection; Thermal radiation.
 
 
Programa
1. Termodinâmica: definições e conceitos fundamentais
• Definição de termodinâmica
• Sistema e volume de controle
• Fase, estado, propriedade termodinâmica, equilíbrio termodinâmico
• Processo, processo quase-estático, ciclo
• Lei Zero da Termodinâmica
• Escalas de temperatura

2. Propriedades de uma substância pura
• Definição de substância pura
• Equilíbrio de fases
• Diagramas T-v e p-T
• Gás perfeito, equação de estado
• Tabelas de propriedades termodinâmicas

3. Trabalho e calor
• Trabalho: definição, convenção de sinais
• Trabalho realizado num sistema compressível simples devido ao movimento de fronteira
• Calor: definição, convenção de sinais
• Modos de transferência de calor

4. 1a Lei da Termodinâmica para sistemas
• 1a Lei aplicada a um ciclo
• 1a Lei aplicada a um processo
• Energia interna
• Entalpia
• Calores específicos

5. 1a Lei da Termodinâmica para volumes de controle
• Conservação da massa
• 1a Lei em termos de fluxo
• 1a Lei para volumes de controle: o processo em regime permanente e em regime uniforme

6. 2a Lei da Termodinâmica para sistemas
• Motivação, definições de máquina térmica e refrigerador
• Enunciados da 2a Lei
• Processo reversível e fatores que tornam um processo irreversível
• Ciclo de Carnot: teoremas relativos ao seu rendimento e eficiência de um ciclo de Carnot
• Desigualdade de Clausius
• Entropia
• Variação de entropia em processos reversíveis
• Relações de Gibbs
• Variação de entropia para um gás ideal
• Variação de entropia para sólidos e líquidos
• Variação de entropia do sistema durante um processo irreversível, entropia gerada
• Princípio do aumento de entropia

7. 2a Lei da Termodinâmica para volume de controle
• Taxa de variação de entropia para sistemas
• 2a Lei para volumes de controle: o processo em regime permanente e em regime uniforme
• Princípio do aumento de entropia para volume de controle
• Eficiência de processos

8. Ciclos motores e de refrigeração a vapor
• Ciclo Rankine
• Ciclo com reaquecimento
• Ciclo com regeneração
• Ciclo de refrigeração a vapor
• Afastamento dos ciclos reais em relação aos ideais

9. Introdução à transferência de calor
• Definição de transferência de calor
• Origens físicas e equações das taxas de transferência por condução, convecção e radiação
• Conservação da energia

10. Condução
• Equação da taxa de condução, condutividade térmica
• Equação da difusão do calor, condições iniciais e de contorno

11. Condução unidimensional em regime permanente
• Resistência térmica
• Resistência de contato
• Casos sem geração: parede plana, cilindro e esfera.
• Casos com geração: parede plana, cilindro e esfera.

12. Introdução à convecção
• Equação da taxa de transferência por convecção
• Camadas limite fluidodinâmica e térmica
• Escoamento laminar e turbulento
• Adimensionais importantes: Reynolds, Nusselt e Prandtl
• Introdução às correlações – método empírico

13. Convecção forçada – escoamento externo
• Placa plana com escoamento paralelo
• Cilindro em escoamento transversal
• Esfera

14. Convecção forçada – escoamento interno
• Fluidodinâmica do escoamento interno
• Características térmicas: comprimento de entrada térmico e temperatura média
• Balanço de energia; fluxo térmico na superfície constante e temperatura superficial constante
• Correlações

15. Convecção natural
• Considerações físicas, coeficiente de expansão volumétrica térmica
• Adimensionais importantes: Grashof e Rayleigh
• Correlações para placas verticais, horizontais e inclinadas, cilindro horizontal e esfera

16. Radiação
• Conceitos fundamentais
• Definições: poder emissivo hemisférico total, irradiação total, radiosidade total
• Radiação de corpo negro, Lei de Stefan-Boltzmann
• Superfícies reais: emissividade total hemisférica, absorção, reflexão e transmissão
• Lei de Kirchhoff e superfícies cinzas
 
1. Thermodynamics: definitions and fundamental concepts
• Definition of Thermodynamics
• Closed systems and control volumes
• Phase, state, thermodynamic properties and thermodynamic equilibrium
• Process, quasi-static process, cycle
• The Zeroth Law of Thermodynamics
• Temperature scales

2. Properties of a pure substance
• Definition of pure substance
• Phase equilibrium
• T-v and p-T diagrams
• Ideal gas, equation of state
• Tabels of thermodynamic properties

3. Work and heat
• Definition of work, sign convention
• Work done at the moving boundary of a simple compressible system
• Definition of heat, sign convention
• Heat transfer modes

4. First Law of Thermodynamics for closed systems
• First Law of Thermodynamics applied to a cycle
• First Law of Thermodynamics applied to a process
• Internal energy
• Enthalpy
• Specific heats

5. First Law of Thermodynamics for control volumes
• Conservation of mass
• First Law of Thermodynamics as a rate equation
• First Law of Thermodynamics for control volumes: steady state processes and transient processes with uniform flow and uniform state

6. Second Law of Thermodynamics
• Motivation, definition of heat engines and refrigerators
• Statements of the Second Law of Thermodynamics
• The reversible process and factors that render processes irreversible
• The Carnot cycle: efficiency and theorems regarding its efficiency
• The inequality of Clausius
• Entropy
• Entropy change in reversible processes
• Gibbs equations
• Entropy change for an ideal gas
• Entropy change for solids and liquids
• Entropy change of a system during an irreversible process, entropy generation
• Principle of the increase of entropy

7. Secons Law of Thermodynamics for control volumes
• Entropy change rate for closed systems
• Second Law of Thermodynamics for control volumes: steady state processes and transient processes with uniform flow and uniform state
• Principle of the increase of entropy for control volumes
• Efficiency of processes

8. Power and refrigeration systems with phase change
• The Rankine cycle
• The reheat cycle
• The regenerative cycle
• The vapor-compression refrigeration cycle
• Deviation of actual cycles from ideal cycles

9. Introduction to heat transfer
• Definition of heat transfer
• Physical origins and rate equations of conduction, convection e radiation
• Energy conservation

10. Conduction
• The conduction rate equation, thermal conductivity
• The heat diffusion equation, boundary and initial conditions

11. One-dimensional, steady-state conduction
• Thermal resistance
• Contact resistance
• Cases without thermal energy generation: plane wall, cylinder and sphere
• Cases with thermal energy generation: plane wall, cylinder and sphere

12. Introduction to convection
• Convection heat transfer rate equation
• The convection boundary layers
• Laminar and turbulent flows
• Dimensionless parameters: Reynolds, Nusselt and Prandtl
• Introduction to empirical correlations

13. Forced convection – external flow
• The flat plate in parallel flow
• The circular cylinder in cross flow
• The sphere

14. Forced convection – internal flow
• Hydrodynamic considerations
• Thermal considerations: thermal entrance length and mean temperature
• The energy balance: constant wall heat flux and constant wall temperature
• Correlations

15. Free convection
• Physical considerations, coefficient of thermal expansion
• Dimensionless parameters: Grashof and Rayleigh
• Empirical correlations for external free convection flows: vertical, horizontal and inclined flat plates, horizontal circular cylinder and sphere

16. Thermal radiation
• Fundamental concepts
• Definitions of total emissive power, total irradiation, total radiosity
• Blackbody radiation, Stefan-Boltzmann’s Law
• Real surfaces: total emissivity, absorption, reflection and transmission
• Kirchhoff´s Law and the gray surface
 
 
Avaliação
     
Método
A avaliação será feita através de provas escritas e listas de exercícios para solução extraclasse.
Critério
Média ponderada de provas escritas e das listas de exercícios.
Norma de Recuperação
Prova escrita única abordando todo o conteúdo da disciplina.
 
Bibliografia
     
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Munson, B. R. & DeWitt, D. P. – Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos – LTC.
Potter, M. C. & Scott, E. P. – Ciências Térmicas: Termodinâmica, Mecânica dos Fluidos e Transmissão de Calor – Thomson.
Borgnakke, C. & Sonntag, R. E. – Fundamentos da Termodinâmica – 8ª ed., Blucher.
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D. & Bailey, M. B. – Princípios de Termodinâmica para Engenharia – 7ª ed., LTC.
Potter, M. C. & Scott, E. P. – Termodinâmica – Thomson.
Bergman, T. L., Lavine, A. S, Incropera, F. P. & DeWitt, D. P.,. – Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa – 7ª ed., LTC.
Kreith, F. & Bohn, M.S. – Princípios de Transferência de Calor – Thomson.
 

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