Primeira Lei da Termodinâmica (Sistema Aberto, Fluxo Estacionário) Calculator

Formula first

Overview

A Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos, também conhecida como equação da energia de fluxo estacionário, é um princípio fundamental que afirma que a energia é conservada. Para um sistema de fluxo estacionário, a taxa de energia que entra no sistema deve ser igual à taxa de energia que sai do sistema mais a taxa de acúmulo de energia dentro do sistema (que é zero para o estado estacionário). Esta equação considera a transferência de calor, a transferência de trabalho e a energia transportada pelo fluxo de massa, incluindo componentes de entalpia, energia cinética e potencial. Para fins deste calculador, assume-se uma única entrada e uma única saída.

Symbols

Variables

$\dot{Q}$ = Heat Transfer Rate, $\dot{W}$ = Work Transfer Rate, $\dot{m}$ = Mass Flow Rate, $h_{in}$ = Specific Enthalpy (Inlet), $h_{out}$ = Specific Enthalpy (Outlet)

Apply it well

When To Use

When to use: Aplique esta equação para analisar dispositivos como turbinas, compressores, bicos, difusores, trocadores de calor e bombas, onde a massa flui para dentro e para fora de um volume de controle. É crucial para calcular as taxas de transferência de energia, determinar propriedades de fluidos desconhecidas nas entradas ou saídas, ou dimensionar componentes em usinas de energia e ciclos de refrigeração. Certifique-se de que o sistema esteja em estado estacionário e identifique todas as interações de energia.

Why it matters: Esta lei é a base do projeto e análise de sistemas térmicos em engenharia. Ela permite que os engenheiros prevejam o desempenho, otimizem a eficiência e solucionem problemas relacionados à energia em uma vasta gama de aplicações, desde a geração de energia até sistemas HVAC e processos químicos. Seu domínio é essencial para desenvolver soluções energéticas sustentáveis e eficientes.

Avoid these traps

Common Mistakes

• Aplicar incorretamente as convenções de sinais para calor e trabalho.
• Esquecer de incluir todas as formas de energia (entalpia, cinética, potencial) ou assumir que são desprezíveis quando não o são.
• Misturar unidades (por exemplo, usar kJ para entalpia e J para energia cinética sem conversão).
• Aplicar a equação a sistemas de fluxo não estacionário sem modificação.

One free problem

Practice Problem

Uma turbina a vapor opera em condições de fluxo estacionário. O vapor entra com uma entalpia de 2800 kJ/kg e velocidade de 50 m/s a uma elevação de 10 m. Ele sai com uma entalpia de 2600 kJ/kg e velocidade de 150 m/s a uma elevação de 5 m. A vazão mássica é de 2 kg/s, e a turbina produz 50 kW de trabalho. Calcule a taxa de transferência de calor para ou da turbina.

Hint: Lembre-se de converter os termos de energia cinética e potencial para kJ/kg dividindo por 1000.

The full worked solution stays in the interactive walkthrough.

Keep going

Related Formulas

References

Sources

1. Fundamentals of Heat and Mass Transfer by Incropera, DeWitt, Bergman, Lavine, 7th Edition
2. Thermodynamics: An Engineering Approach by Yunus A. Cengel and Michael A. Boles, 8th Edition
3. Transport Phenomena by R. Byron Bird, Warren E. Stewart, and Edwin N. Lightfoot, 2nd Edition
4. Wikipedia: First law of thermodynamics
5. Moran & Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics
6. Cengel & Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach
7. NIST CODATA
8. Cengel and Boles Thermodynamics: An Engineering Approach