Descubra como o Thermonator ajuda você a resolver seus cálculos rapidamente.
A termodinâmica fica mais fácil com o Thermonator. Aprenda as funções básicas e você economizará muitas horas de cálculos repetitivos.
Mas você precisa aprender termodinâmica para usar o Thermonator. Por exemplo, uma calculadora científica calcula funções trigonométricas, mas você precisa entender o que é uma função seno ou as leis dos ângulos para resolver problemas de trigonometria. O Thermonator calcula muito rapidamente, mas você precisa realizar os cálculos corretamente. Você precisa entender o que é um volume de controle ou as leis da termodinâmica para aplicá-las corretamente. Se você não conhece termodinâmica, seus cálculos estarão incorretos.
Não se preocupe. O Thermonator contém muitas explicações e exemplos para responder às perguntas mais comuns e ajudar você a evitar erros de iniciante.
Os valores e equações termodinâmicas podem variar dependendo do exercício que você está resolvendo. Por exemplo, a pressão em bar não é a mesma que a pressão em quilopascais, e as equações usadas para sistemas termodinâmicos fechados e abertos não são as mesmas. Elas podem até mudar dependendo do livro didático ou da tabela que você estiver usando.
Isso significa que você precisa considerar as condições do seu exercício para garantir que os resultados estejam corretos. Nas seções a seguir, você verá como o Thermonator ajuda você a definir essas condições.
Que sistema termodinâmico você precisa resolver? Como você o analisará? Quais unidades você usará?
Após ler o enunciado do problema, esta tela ajuda você a definir o que irá resolver e como irá analisá-lo, garantindo que você utilize os valores e equações corretos.
Clique no botão “Novo exercício” ou abra o menu “Configurações > Novo exercício” para acessar esta tela.
Nesta tela, o botão “Novo Exercício” limpa a configuração atual, exigindo que você selecione novas opções para garantir que nenhuma configuração indesejada permaneça do exercício anterior.
Ao pressionar o botão “Exemplos”, o menu “Dispositivos” mostra como cada dispositivo termodinâmico é configurado; por exemplo, uma turbina implica um sistema de volume de controle aberto. Você também encontrará links para exercícios resolvidos que podem ser úteis.
Por fim, há as opções de configuração. Elas aparecem juntas para que você possa configurá-las rapidamente antes de começar a resolver o exercício, embora também seja possível configurar cada uma separadamente posteriormente, como veremos nas seções seguintes.
Quais propriedades termodinâmicas você precisa para resolver seu problema?
É melhor exibir apenas as propriedades que você usará, pois é mais difícil se concentrar quando muitos números aparecem na tela devido à sobrecarga de informações.
Para resolver este problema, você pode usar a tela ‘Propriedades’.
A tela ‘Propriedades’ pode ser acessada pelo menu ‘Configurações > Propriedades’.
Esta tela exibe todas as propriedades termodinâmicas calculadas pelo Thermonator. Elas estão divididas em quatro grupos:
Propriedades de estado, que são os valores que caracterizam um estado termodinâmico.
Propriedades de saturação, que são as propriedades de um estado no limite de uma mudança de fase, ou seja, líquido saturado ou vapor saturado.
Propriedades de processo, que são os valores que caracterizam um processo termodinâmico.
Propriedades de ciclo, que são as eficiências do ciclo.
Cada propriedade possui um botão “Informações” para saber mais sobre ela.
Lembre-se de que algumas propriedades podem ter valores diferentes dependendo do livro-texto ou do tipo de sistema termodinâmico que você está resolvendo. Por esse motivo, algumas propriedades são marcadas com ícones para lembrá-lo, por exemplo, se são propriedades extensivas ou se seu valor depende do estado de referência. Se tiver alguma dúvida, clique nos ícones para ver mais informações sobre cada propriedade.
Devemos ter cuidado ao selecionar as unidades para cada exercício, pois as equações matemáticas sempre retornam um resultado, mas esse resultado só estará correto se as unidades também estiverem corretas.
O menu ‘Configurações > Unidades’ abre a tela para selecionar as unidades do exercício.
A tela de Unidades possui duas partes. A primeira parte é o ‘Seletor de Unidades’, onde você configura as unidades que aparecerão no seu exercício.
A segunda parte é um ‘Conversor de Unidades’, caso você precise realizar cálculos rápidos de uma unidade para outra. Basta selecionar o tipo de unidade que deseja converter e inserir o valor necessário na unidade correspondente. Ele aparecerá automaticamente convertido para as outras unidades daquele tipo.
Que tipo de sistema termodinâmico você precisa resolver? Quais equações você usará para resolvê-lo?
A análise do sistema termodinâmico determina as equações matemáticas usadas para calcular o trabalho realizado pelos processos. Você deve garantir que está usando as opções corretas para o seu exercício.
Abra o menu ‘Configurações > Análise do Sistema’ para acessar esta tela.
Você deve configurar três opções:
Sistema de Controle: Os dispositivos termodinâmicos usados no seu exercício determinam como o trabalho é realizado ou consumido; ou seja, a equação para calcular o trabalho do sistema. Escolha o sistema de controle de acordo com os dispositivos do seu exercício. O trabalho será calculado usando a equação do sistema de controle selecionado. Existem dois tipos:
Controle de Massa (Sistema Fechado): A substância está contida dentro do dispositivo. O dispositivo realiza ou consome trabalho devido à variação do volume ocupado pela substância, ou seja, W = m ∫ P·dv
Controle de Volume (Sistema Aberto): A substância entra e sai do dispositivo. O dispositivo realiza ou consome trabalho devido à variação da pressão experimentada pela substância, ou seja, Wvc = m ∫ v·dP
Convenção de Sinais: O sinal na equação da primeira lei da termodinâmica pode mudar, mas seu significado permanece o mesmo. Surpreendente, não é? Selecione a opção apropriada de acordo com o material de referência que você está usando.
Convenção Negativa: Alguns livros consideram o trabalho realizado por um dispositivo como positivo. Ou seja, trabalho positivo diminui a energia do sistema. Assim, para um sistema fechado, a Primeira Lei da Termodinâmica é expressa como ΔU = Q – W
Convenção Positiva: Alguns livros consideram toda a energia que entra em um dispositivo como positiva. Ou seja, trabalho positivo aumenta a energia do sistema. Assim, para um sistema fechado, a Primeira Lei da Termodinâmica é expressa como ΔU = Q + W
Análise de Unidades: Isso depende se queremos medir uma ação pontual ou contínua do sistema.
Unidades de Energia: Medimos uma ação pontual do sistema. Por exemplo, o trabalho realizado pela expansão de um cilindro-pistão, medido em quilojoules.
Unidades de Potência: Medimos uma ação contínua por unidade de tempo. Por exemplo, o trabalho de uma turbina em operação, medido em quilowatts, ou seja, quilojoules por segundo.
Em termodinâmica, existem diversos critérios para definir o conteúdo energético de uma substância em um determinado estado. Por exemplo, o IIR (Instituto Internacional de Refrigeração) define um líquido saturado a 0 °C como tendo uma entalpia de 200 kJ/kg e uma entropia de 1 kJ/(kg·K). Já a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada) define a entalpia e a entropia como zero para um líquido saturado a 1 bar.
Por essa razão, as tabelas termodinâmicas podem apresentar valores diferentes para as propriedades energéticas, dependendo do estado de referência utilizado.
Isso significa que você deve ajustar os valores do estado de referência para cada substância de acordo com suas fontes de referência.
Abra o menu ‘Configurações > Estado de Referência’ para acessar esta tela.
Ajustar o estado de referência é muito fácil. Basta copiar os valores de Entalpia e Entropia de qualquer estado da sua tabela. Uma vez aplicados, o Thermonator calculará automaticamente o ajuste necessário para que os valores correspondam aos da sua tabela.
Ao pressionar o botão ‘Predefinições’, você pode configurar o estado de referência de acordo com diferentes critérios:
Ponto de ebulição normal a 1 atm, usado pelo NIST.
Ponto de ebulição normal a 1 bar, usado pela IUPAC.
Ao analisar uma série de valores, você prefere lê-los em uma tabela de dados ou visualizá-los em um gráfico? Nossos cérebros interpretam imagens melhor, e é por isso que o Thermonator usa o gráfico termodinâmico para facilitar a compreensão de conceitos teóricos.
Por exemplo, os processos são codificados por cores para distinguir claramente o tipo de processo com base no calor:
Vermelho representa processos que absorvem calor.
Azul representa processos que liberam calor.
Verde representa processos adiabáticos, que não absorvem nem liberam calor.
Vejamos outros exemplos.
De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, sabemos que o trabalho de expansão realizado por um sistema cilindro-pistão é Wx = m ∫ P·dv. Em um gráfico Pv, esse trabalho é a área sob a curva de expansão multiplicada pela massa do processo.
Graficamente, é fácil deduzir que o trabalho realizado aumentará à medida que o volume final do cilindro-pistão aumentar, já que a área sob a curva será maior. Podemos até calcular aproximadamente o trabalho de expansão contando os quadrados sob a curva e multiplicando-os pela massa do processo.
Além disso, como o processo está representado em vermelho, sabemos que ele exigiu a absorção de calor para realizar a expansão.
Considerando a Segunda Lei da Termodinâmica, para entender a relação entre calor e entropia como Q = m ∫ T·ds, podemos representar um ciclo de Carnot em um gráfico Ts e deduzir que o calor de cada processo é a área sob sua curva multiplicada pela massa do processo.
Graficamente, é evidente que os processos adiabáticos, em verde, não geram nem consomem calor, pois, sendo verticais, não possuem área sob sua curva. O calor absorvido pelo ciclo é igual à área contida dentro do ciclo, visto que a área sob a curva do processo 4-1, em vermelho, deve ser reduzida pela área sob a curva do processo 2-3, em azul, porque está na direção oposta. De fato, podemos calcular esse calor contando os quadrados sob a curva e multiplicando-os pela massa do processo.
Também é facilmente perceptível que o calor absorvido pelo ciclo é proporcional à diferença de temperatura entre os reservatórios quente e frio, pois a área dentro do ciclo aumenta proporcionalmente a essa diferença.
Em resumo, o gráfico permite deduzir facilmente várias características do sistema termodinâmico, interações entre suas propriedades, situações indesejáveis e assim por diante. Em outras palavras, é uma grande ajuda para a compreensão do comportamento de sistemas termodinâmicos.
Agora veremos como realizar cálculos utilizando o gráfico e adaptar sua representação às necessidades do exercício.
Usando o botão “Substâncias”, selecione a substância que deseja calcular. As substâncias são classificadas em três tipos, cada um com seu próprio menu, dependendo do modelo de cálculo que utilizam:
Gases Perfeitos: Este modelo é o mais simples e amplamente utilizado em exercícios, pois seus cálculos são muito fáceis. Ele utiliza um calor específico constante e a lei dos gases ideais, P·v = R·T. Por esse motivo, os livros didáticos frequentemente tratam os gases perfeitos como gases ideais.
Gases Ideais: Este modelo é o mais conhecido devido à sua equação de estado, P·v = R·T. Ele difere da lei dos gases perfeitos porque, neste caso, o calor específico varia com a temperatura.
Substâncias Reais: Esses modelos são os mais complexos, pois calculam o estado de uma substância, seja ela líquida ou gasosa. Existem muitos modelos diferentes: IAPWS, Benedict-Webb-Rubin, Peng-Robinson, etc. Tanto a equação de estado quanto o calor específico são funções complexas que diferem para cada substância.
O menu “Pesquisar” abre uma caixa de diálogo com uma lista onde você pode selecionar a substância com a qual deseja trabalhar. No campo de texto, você pode inserir o nome, o sinônimo ou a fórmula química da substância para facilitar a seleção.
Para cada substância, um botão “Informações” abre uma tela com informações sobre essa substância. Ao lado, o botão “Favoritos” adiciona a substância ao menu principal de substâncias para acesso mais rápido.
O menu “Informações da Substância” exibe uma tela com informações gerais sobre a substância selecionada. Esta tela contém:
Dados principais: Nome, fórmula química, massa molecular e modelo de cálculo.
Dados de saturação, incluindo a entalpia de vaporização, no ponto crítico e na pressão normal de ebulição a 1 atmosfera e 1 bar.
Calors específicos e coeficiente gama em diferentes temperaturas.
Intervalo de validade para o cálculo dos estados desta substância.
Um estado termodinâmico é calculado a partir de duas propriedades. No Thermonator, existem duas maneiras de inserir essas duas propriedades para criar um estado:
Se nenhum estado foi criado, insira os valores de duas propriedades e clique no botão ‘Calcular’.
Você também pode selecionar a ferramenta ‘Novo Estado’ e clicar no gráfico. O estado será calculado usando os valores das coordenadas do gráfico, por exemplo, pressão e volume em um gráfico Pv, ou temperatura e entropia em um gráfico Ts.
Para ajustar as propriedades do estado aos valores do seu exercício, siga estas etapas:
Altere o valor de uma propriedade. Esta será a primeira propriedade usada no cálculo.
Clique em outra propriedade. A propriedade que você está editando será a segunda propriedade. Você pode alterar o valor dela ou deixá-lo como está.
Clique no botão ‘Calcular’. O estado será calculado usando a propriedade modificada e a propriedade que você está editando.
Você verá que, ao editar as propriedades, elas aparecem no botão “Calcular” para indicar como o cálculo será realizado.
Existem casos especiais, como a modificação do estado inicial ou final de um processo individual. Em um processo individual, é comum manter sua propriedade característica, por exemplo, a pressão em um processo isobárico. Portanto, ao modificar uma propriedade, o botão Calculadora também exibirá a propriedade característica do processo para calcular rapidamente o novo estado usando tanto a propriedade modificada quanto a propriedade característica do processo.
Ao modificar uma propriedade, seu valor aparece em vermelho para alertar que não se trata do valor real da propriedade, mas sim de um valor que está sendo modificado. Para restaurar o valor original, clique no botão “Restaurar Valores” localizado no canto superior direito do painel “Propriedades”.
Há situações em que precisamos renomear estados de acordo com uma ordem específica, como ao criar loops complexos com ramificações. O botão ‘Estados’ contém o menu ‘Renomear Estados’ para modificar o nome de cada estado para a nomenclatura usada em nosso exercício.
Este mesmo botão também contém menus para exibir cada um dos estados e processos criados no gráfico. Ao selecionar qualquer um deles, seus valores de propriedade serão exibidos no painel ‘Propriedades’ e as escalas do gráfico serão ajustadas automaticamente de acordo.
Clicar no botão “Tipo de Gráfico” abre um menu com diversas opções. As primeiras opções, Zoom e Escalas, serão abordadas na próxima seção. Em seguida, os diferentes tipos de gráfico aparecem e, ao selecioná-los, os eixos do gráfico são alterados. Entre eles estão:
Gráfico Pv: Este gráfico é muito útil para a compreensão da Primeira Lei da Termodinâmica. Nele, a área sob um processo representa o trabalho de expansão de um sistema fechado, ou seja, Wx = m ∫ P·dv, enquanto a área à esquerda do processo representa o trabalho térmico de um sistema aberto, ou seja, Wt = m ∫ v·dP.
Gráfico Ts: Este gráfico é muito útil para a compreensão da Segunda Lei da Termodinâmica. Nele, a área sob um processo representa o calor desse processo, ou seja, Q = m ∫ T·ds. Por essa mesma razão, os processos que se movem para a direita absorvem calor e são mostrados em vermelho, os processos que se movem para a esquerda liberam calor e são mostrados em azul, e os processos verticais são adiabáticos e são mostrados em verde.
Gráficos Ph e hs: Esses gráficos são amplamente utilizados, por exemplo, na análise de ciclos com trocadores de calor, porque a entalpia representa a energia trocada por cada processo.
Gráfico PT: Esse gráfico é usado para visualizar a linha de saturação e as diferentes zonas ou fases de uma substância real.
As escalas do gráfico podem ser ajustadas de diversas maneiras:
O método mais comum é clicar e arrastar a régua horizontal ou vertical para mover a escala correspondente. Você também pode tocar com dois dedos para aumentar ou diminuir o zoom.
Se você quiser destacar um estado ou processo específico, o botão “Estados” à esquerda dos nomes dos estados permite selecionar um estado ou processo para ajustar automaticamente as escalas do gráfico de acordo.
Outra ação comum é ampliar todos os estados e processos calculados selecionando a opção “Zoom” no menu “Tipo de Gráfico”.
Para ajustes mais detalhados, o botão “Tipo de Gráfico” contém o menu “Escalas” com vários submenus:
Ajuda: Exibe um lembrete das várias maneiras de ajustar as escalas.
Intervalo: Abre uma caixa de diálogo onde você pode inserir os valores mínimo e máximo para a escala.
P log., T log., v log.: Configura a representação dessas propriedades em uma escala linear ou logarítmica.
Agora que sabemos como configurar o gráfico, vamos ver como realizar cálculos dentro dele.
O botão “Ferramentas” oferece um menu de ações para adicionar, modificar e excluir elementos dentro do gráfico. Esses elementos são estados, processos e ciclos — ou seja, os componentes de um sistema termodinâmico.
Quando um desses menus é selecionado, o botão “Ferramentas” é renomeado para corresponder ao menu, indicando a ação que queremos realizar no gráfico. Clicar no gráfico executará a ação correspondente ao menu selecionado.
Selecione a ferramenta “Novo Estado” e clique no gráfico para criar um estado com as propriedades das coordenadas do gráfico, por exemplo, pressão e volume em um gráfico Pv ou temperatura e entropia em um gráfico Ts.
Após a criação, a ferramenta “Mover” é selecionada automaticamente para que você possa mover o estado pelo gráfico.
Selecione a ferramenta “Novo Processo” para exibir o submenu com os tipos de processos que você pode criar. O menu “Dispositivos” também aparece, contendo informações sobre as principais características dos dispositivos termodinâmicos mais comuns, bem como o menu “Equações” com as equações para todos os tipos de processo.
Após selecionar o tipo de processo:
Clicar no gráfico cria um processo com um estado inicial no ponto em que você clicou e um estado final no ponto em que você soltou o clique.
Clicar em um estado cria um novo processo desse estado até o ponto em que você soltou o clique.
O processo “Politrópico” é um tipo especial de processo que só pode ser calculado com gases ideais.
Ao criá-lo, você verá que não há restrições quanto ao estado final. Isso ocorre porque o processo pode prosseguir em qualquer direção, de acordo com seu índice de politropia.
Para calcular seus estados, na tela principal você pode usar duas propriedades de estado, como em qualquer outro processo, mas também pode usar uma propriedade de estado e o índice de politropia.
O processo “Desconhecido” é utilizado quando as propriedades internas do processo são desconhecidas, ou seja, quando conhecemos apenas os estados inicial e final do processo. Os estados inicial e final podem assumir qualquer valor, portanto, este processo pode prosseguir em qualquer direção.
O processo “Desconhecido” é representado em roxo com um ícone de aviso. A cor roxa indica que não conhecemos o fluxo de calor dentro do processo, e o aviso indica que também não conhecemos suas propriedades internas. Para calcular suas propriedades, devemos abrir a tela “Balanço de Energia” e calcular o balanço de acordo com os dados do exercício que estamos resolvendo.
Selecione a ferramenta “Novo Ciclo” para abrir a tela “Novo Ciclo”. Ao começar a aprender Termodinâmica, é recomendável criar ciclos passo a passo para compreendê-los e reforçar o aprendizado. Posteriormente, é melhor usar esta tela para resolver rapidamente problemas já aprendidos e concentrar-se em novos desafios.
Esta tela exibe os ciclos termodinâmicos mais comuns. Clicar no nome do ciclo exibe seu gráfico e um link para informações adicionais. O botão à direita abre a tela de configuração do ciclo selecionado.
Na tela de configuração do novo ciclo, você encontrará o gráfico do ciclo e campos de texto para inserir os valores das propriedades características do ciclo.
Às vezes, os dados do seu exercício podem não corresponder a essas configurações. Nesse caso, você pode criar o ciclo com valores diferentes e, em seguida, ajustar os dados do seu exercício na tela principal.
Se estivermos criando um loop passo a passo e quisermos um loop fechado, a ferramenta “Fechar Ciclo” é usada para unir o último estado do ciclo com o primeiro estado.
Após selecionar essa ferramenta, clicamos no último estado do ciclo no gráfico e arrastamos até que ele se sobreponha ao estado inicial do ciclo. O último estado será excluído automaticamente e seu processo associado será unido ao estado inicial.
A ferramenta ‘Selecionar’ destaca um estado ou processo em amarelo e exibe suas propriedades no painel ‘Propriedades’. Para usá-la, basta clicar no estado ou processo no gráfico. Outra maneira de selecionar um estado ou processo é usar os menus no botão ‘Estado’, localizado no canto superior esquerdo do painel ‘Propriedades’.
A ferramenta ‘Mover’ é semelhante. Ela seleciona o estado ou processo, mas também permite arrastá-lo no gráfico para modificar suas propriedades.
Recomenda-se usar a ferramenta ‘Mover’ ao criar estados e processos. Após ajustar os dados do exercício, é melhor usar a ferramenta ‘Selecionar’ para evitar modificar esses dados acidentalmente.
A ferramenta ‘Excluir’ permite excluir estados e processos simplesmente clicando neles no gráfico.
Para agilizar ações comuns, ao excluir um estado com um único processo, esse processo também é excluído. Da mesma forma, quando um processo é excluído, seus estados inicial e final também são excluídos, a menos que esses estados também pertençam a outro processo.
A ferramenta ‘Invertendo Processo’ troca os estados inicial e final de um processo e vice-versa.
Quando o processo pertence a um ramo de um ciclo, todos os processos dentro desse ramo são invertidos. Assim, se for um ciclo básico, o ciclo inteiro será invertido, tornando-se uma ferramenta muito útil para analisar rapidamente as diferenças entre ciclos de potência e de refrigeração.
A ferramenta “Dividir Processo” divide um processo em dois processos. Isso significa que ela cria um novo estado intermediário e vincula o estado inicial ao estado intermediário, e o estado intermediário ao estado final.
Essa ferramenta é útil, por exemplo, para dividir um processo de turbina em duas partes: a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão.
A ferramenta ‘Processos em Escada’ simplifica a criação de processos repetitivos, como processos de reaquecimento ou resfriamento. Cada um desses processos consiste em um processo isobárico e um processo adiabático, que são criados automaticamente com esta ferramenta.
Em geral, selecionar esta ferramenta e clicar em um estado vinculado a dois processos insere dois novos processos análogos aos existentes, formando assim uma escada de processos.
Nesta seção, examinaremos funções adicionais que aceleram a solução de sistemas termodinâmicos ou que são simplesmente comumente usadas no aprendizado de Termodinâmica.
Conversões de unidades são muito comuns em Termodinâmica e estão entre as primeiras habilidades que um estudante deve adquirir.
O menu “Mais opções > Conversor de unidades” exibe uma janela para facilitar essas conversões. É importante lembrar que, além de selecionar as unidades de trabalho, o menu “Configurações > Unidades” também contém um conversor de unidades.
O conversor de unidades inclui um seletor para o tipo de unidade que você deseja converter e as unidades disponíveis para esse tipo.
Essas unidades são:
Pressão: Bar, Atmosfera, Atmosfera Técnica, Quilopascal, Megapascal e PSI Absoluto.
Temperatura: Kelvin, Celsius, Rankine e Fahrenheit.
Volume: Metro cúbico, Litro, Pé cúbico e Galão (EUA).
Massa: Mol, Quilomol, Quilograma, Libra e Libra-mol.
Energia: Joule, Quilojoule, Quilocaloria, Quilowatt-hora e BTU.
Potência: Watt, Quilowatt, Cavalo-vapor (internacional), Cavalo-vapor (Reino Unido), Btu por segundo e Btu por hora.
O valor de cada unidade é modificável; portanto, alterar esse valor atualiza automaticamente os valores das outras unidades para manter a consistência entre todas as unidades exibidas.
Um caso especial são as unidades de massa, que exigem a configuração da massa molecular da substância para converter corretamente os valores entre todas as suas unidades.
A interpolação em tabelas é provavelmente o cálculo mais repetido (e temido) para estudantes de Termodinâmica. Para facilitar esse processo, o Thermonator oferece um interpolador que simplifica esses cálculos e mostra a solução passo a passo, permitindo que os alunos verifiquem rapidamente seu trabalho e concentrem seus esforços na compreensão de outros conceitos de Termodinâmica.
O menu “Mais opções > Interpolação” abre a janela para interpolar valores em tabelas termodinâmicas.
Essa janela realiza interpolações lineares em uma ou duas dimensões. A opção unidimensional é normalmente usada para interpolar em tabelas de saturação, enquanto a opção bidimensional é usada para interpolar em tabelas de líquido sub-resfriado ou vapor superaquecido.
Na parte superior, o botão “Informações” exibe as equações usadas para calcular cada um dos valores de interpolação até que o resultado final seja alcançado.
O botão “Dimensões” permite selecionar entre interpolação linear unidimensional ou bidimensional.
Os seletores “Dados” e “Calcular” facilitam a entrada de dados. As tabelas geralmente são organizadas por pressão e temperatura, portanto, pelo menos uma dessas variáveis fará parte dos dados.
Por exemplo, digamos que queremos interpolar a entropia em duas dimensões e temos tabelas de vapor superaquecido a pressões de 400 e 600 kPa organizadas por temperatura. Nesse caso, como mostrado na imagem anexa, selecionaríamos “P” como o primeiro ponto de dados, já que as tabelas estão a uma pressão fixa, e “T” como o segundo ponto de dados, já que as tabelas estão organizadas a diferentes temperaturas. Em “Calcular”, selecionaríamos “s”, pois essa é a variável que queremos calcular. Com essa configuração, os nomes das variáveis necessárias para a interpolação serão preenchidos automaticamente, facilitando bastante a inserção de cada dado.
Após a configuração, basta inserir os dados necessários e o interpolador calculará automaticamente o resultado da interpolação.
Por fim, um painel na parte inferior exibe quaisquer dados ausentes necessários para a interpolação ou quaisquer erros. Possíveis erros incluem números inseridos incorretamente ou dados fora do intervalo de interpolação (ou seja, extrapolações).
As propriedades de saturação são um elemento recorrente nos cálculos de substâncias reais.
O menu “Mais opções > Saturação” exibe um painel onde esses tipos de propriedades podem ser calculados rapidamente.
Vale ressaltar que as propriedades de saturação também podem ser calculadas facilmente na janela principal. Basta exibir a propriedade “Título do Vapor” e calcular um estado com base nessa propriedade e em qualquer outra propriedade. Os valores serão de líquido saturado quando o título do vapor for zero e de vapor saturado quando o título do vapor for igual a um.
O painel “Propriedades de Saturação” contém primeiro um seletor para indicar se você deseja inserir um valor de líquido saturado ou de vapor saturado. Em seguida, outro seletor indica o tipo de propriedade que você deseja calcular, e você pode inserir seu valor no campo de texto adjacente.
Usando essa configuração, o estado de saturação correspondente é calculado e os valores das propriedades para os estados de líquido saturado e vapor saturado aparecem automaticamente na parte inferior.
Vale ressaltar que algumas substâncias são misturas zeotrópicas e, portanto, não mantêm uma temperatura constante durante uma mudança de fase a pressão constante. Essa variação é chamada de “temperatura de transição” e se reflete neste painel porque os valores de temperatura para o líquido saturado e o vapor não coincidem.
Existem situações em que uma substância altera sua velocidade ou altura, ou sofre dissipação ou outras transferências de energia que alteram os resultados de um modelo de processo básico.
Nesses casos, o balanço energético é usado para determinar as propriedades do processo.
No Thermonator, é comum usar um processo “Desconhecido” de um estado inicial para qualquer estado final, sem restrições, e então determinar as propriedades desse processo na janela “Balanço Energético”. No entanto, se o tipo de processo for conhecido, você também pode criar qualquer tipo de processo e determinar as alterações que ele sofreu nesta mesma janela.
O menu “Mais opções > Balanço energético” exibe a janela para modificar o balanço energético de qualquer processo.
É importante lembrar que as propriedades e equações nesta janela mudarão dependendo da configuração que você definiu para o exercício: sistema de controle, convenção de sinais, etc.
O primeiro passo é selecionar o processo cujo balanço energético desejamos modificar. Qualquer tipo de processo pode ser selecionado, embora o tipo ‘Desconhecido’ seja mais comum nesses casos, pois permite a definição independente dos estados inicial e final, sem restrições entre eles. Após a seleção do processo, suas propriedades aparecem nas seções seguintes.
O segundo passo é modificar as propriedades do processo, incluindo seus estados inicial e final.
Em sistemas fechados, podemos modificar a Energia Interna dos estados e, em sistemas abertos, a Entalpia — ou seja, a propriedade que influencia o balanço energético. Em ambos os casos, uma segunda propriedade é fornecida, que permanecerá constante, permitindo calcular o novo estado quando a Energia Interna ou a Entalpia for modificada.
As energias cinética e potencial, a velocidade e a altura do estado também podem ser modificadas. Modificar a energia cinética alterará automaticamente a velocidade e vice-versa, visto que estão relacionadas. O mesmo se aplica à energia potencial e à altura.
Por fim, a Massa, o Calor, o Trabalho, a Expansão ou Trabalho Técnico e o Trabalho Dissipativo podem ser modificados. No caso do processo “Desconhecido”, essas propriedades são indefinidas por padrão, sendo necessário defini-las como zero ou com o valor determinado pelo exercício que está sendo resolvido.
A terceira seção exibe os resultados das modificações realizadas.
Incrementos parciais de energia que serão adicionados ao balanço total: Aumento da Energia Interna ou Entalpia, Aumento da Energia Potencial e Aumento da Energia Cinética.
Equação do balanço de energia, de acordo com a configuração do exercício. Se o balanço não for satisfeito, o botão “Resolver” permite selecionar uma propriedade para ser ajustada automaticamente e atingir o balanço.
Equação do trabalho limite, de acordo com a configuração do exercício. Se esta equação não for satisfeita, o botão “Resolver” permite selecionar uma propriedade para ser ajustada automaticamente e atingir esta equação.
O painel inferior exibe quaisquer erros na configuração desta janela, juntamente com um botão “Aplicar” que é habilitado quando todos os cálculos estão corretos. Ao pressionar o botão “Aplicar”, as configurações feitas nesta janela são aplicadas ao processo original na tela principal.
Trocadores de calor e câmaras de mistura são dispositivos muito comuns em sistemas termodinâmicos. Por esse motivo, o Thermonator oferece uma janela dedicada para calcular rapidamente os processos envolvidos no trocador.
O menu “Mais opções > Trocadores” exibe uma lista de trocadores de calor e câmaras de mistura.
A lista de trocadores consiste em quatro tipos:
Trocador genérico: Um trocador personalizado com um número variável de entradas, saídas e substâncias envolvidas na troca de energia.
Trocadores fechados (Trocadores de Calor): Turbina a gás e trocador fechado com duas entradas.
Trocadores abertos (Câmaras de Mistura): Trocadores abertos com duas e três entradas.
Trocador misto com três entradas.
Clicar no nome de cada tipo exibe seu esquema, o número de entradas e saídas e o gráfico termodinâmico dos processos envolvidos no trocador.
Clicar no botão à direita do nome abre a janela para calcular cada trocador de calor.
Na janela de cálculo do trocador de calor, o esquema, o tipo e o diagrama do trocador aparecem na parte superior, servindo como referência durante a configuração e os ajustes.
O primeiro passo no cálculo é selecionar os processos do trocador de calor. Todos os processos dentro do trocador devem ser isobáricos, mas também devem atender a outras condições específicas do trocador selecionado. Por exemplo, a temperatura mínima de um processo exotérmico nunca pode ser inferior à temperatura mínima dos processos endotérmicos. No caso de câmaras de mistura, os processos devem compartilhar um estado comum, que será o estado de saída da câmara.
O segundo passo é ajustar o balanço energético do trocador, garantindo que a soma das variações de entalpia dos processos envolvidos seja igual a zero. Para isso, as massas e as entalpias de entrada e saída de cada processo podem ser modificadas. As variações de entalpia para cada processo e o balanço energético geral do trocador são então calculados automaticamente.
O terceiro passo é ajustar o balanço de massa dos ramos do ciclo aos quais o trocador de calor pertence. Esta seção exibe todos os estados do ciclo com ramificações, permitindo ajustar as massas das ramificações que ainda não foram ajustadas na etapa anterior.
Após a conclusão do processo, o painel inferior contém o botão “Aplicar” para transferir os ajustes para o sistema termodinâmico na tela principal. Se ocorrer um erro, este mesmo painel exibirá o problema e o botão “Aplicar” será desativado para evitar a entrada de dados incorretos no sistema.
Já sabemos como calcular tudo. Aprendemos a configurar nosso exercício, criar o sistema termodinâmico com base em nossos dados e realizar os cálculos necessários. Agora é hora de analisar os resultados obtidos e transcrevê-los para nossa tarefa ou relatório de trabalho. Os menus ‘Resultados’ e ‘Compartilhar’ servem para isso.
O menu “Mais opções > Resultados > Resumo” exibe informações sobre todos os elementos termodinâmicos que calculamos.
Nesta janela, a primeira seção mostra a configuração do exercício, ou seja, os parâmetros usados para calcular as propriedades termodinâmicas. É importante lembrar que configurações diferentes resultarão em valores de propriedades diferentes.
Em seguida, a segunda e a terceira seções exibem as propriedades dos estados e processos termodinâmicos, respectivamente. Para evitar sobrecarga de informações, apenas as propriedades selecionadas pelo usuário na janela “Mostrar propriedades” são exibidas.
A seção final exibe as propriedades dos ciclos calculados. Um ciclo pode ser fechado, mas também pode consistir em apenas um ou dois processos, ou seja, um “ciclo aberto”. Dessa forma, as somas das propriedades de processos adjacentes são sempre mostradas. Assim como nas seções anteriores, apenas as propriedades selecionadas pelo usuário na janela “Mostrar propriedades” são exibidas.
O menu “Mais opções > Resultados > Cálculos” exibe informações sobre as equações e os procedimentos utilizados para calcular todos os estados e processos termodinâmicos no gráfico.
Esta janela contém explicações passo a passo para o cálculo das propriedades dos estados e processos. É útil para verificar os resultados ao realizar essas mesmas operações manualmente. Lembre-se de ter cuidado com as unidades, pois os valores das propriedades devem estar nas mesmas unidades das equações. Além disso, tenha em mente que as configurações do exercício determinam as equações a serem usadas e, portanto, os resultados.
A primeira seção mostra como os estados foram calculados. O procedimento de cálculo depende da substância com a qual se está trabalhando e do estado de referência definido para essa substância; portanto, essas informações são exibidas primeiro. Cada estado é então definido por duas propriedades e, a partir dessas duas propriedades, são mostradas as equações utilizadas para calcular as demais propriedades. No caso do cálculo de um gás ideal, as equações são simples e os cálculos podem ser acompanhados passo a passo. No caso de um gás ideal, o calor específico é calculado a partir de uma função complexa da temperatura, portanto, esses cálculos serão indicados como cp = f(T). Para substâncias reais, todas as equações utilizadas são complexas, então apenas o procedimento é apresentado.
A segunda seção apresenta os cálculos que devem ser realizados para determinar as propriedades dos processos. Primeiramente, o sistema de controle é apresentado, visto que a equação utilizada para calcular o trabalho dos processos depende dele. Para cada processo, o algoritmo utilizado para determinar seus incrementos de energia interna e entalpia é apresentado, juntamente com a forma como, com base nesses valores e dependendo do tipo de processo, o calor e o trabalho desse processo podem ser calculados.
O menu “Mais opções > Resultados > Balanços” exibe os resultados dos balanços de massa, energia e entropia, bem como o trabalho de fronteira dos processos.
É importante lembrar que as equações e os valores dos balanços dependem da configuração do exercício. Portanto, você deve garantir uma configuração correta antes de verificar esses valores.
A primeira seção mostra o balanço de massa para cada estado termodinâmico de acordo com a massa dos processos que entram e saem do estado. Se estiver calculando um sistema de massa de controle, o balanço verifica se a massa inicial do estado é igual à sua massa final. Se estiver calculando um volume de controle, o balanço verifica se a massa que entra no estado é igual à sua massa que sai dele. Existem casos especiais, como os estados finais de um ciclo aberto — isto é, os estados onde um ciclo começa e termina —, nos quais o balanço de massa não se aplica.
A segunda seção verifica o balanço de energia de acordo com a primeira lei da termodinâmica para cada processo termodinâmico. A equação utilizada no balanço energético depende da configuração do exercício, especificamente do seu sistema de controle e da convenção de sinais selecionada.
A terceira seção mostra o trabalho de fronteira para cada processo. Essa verificação é útil quando o processo apresenta trabalho dissipativo e/ou aumentos em sua energia cinética ou potencial, propriedades que são gerenciadas na janela “Balanço Energético”.
A seção final apresenta o balanço de entropia para cada processo. É importante lembrar que, para verificar esse balanço, as unidades de temperatura utilizadas no cálculo devem ser absolutas, ou seja, Kelvin ou Rankine.
O menu “Mais opções > Compartilhar” contém submenus para exportar seus resultados para outros aplicativos.
Dependendo do submenu selecionado, você compartilhará texto ou uma imagem:
Resumo: Texto com a configuração e as propriedades dos estados, processos e ciclos.
Cálculos: Texto com a configuração e as equações para calcular os estados e processos.
Balanços: Texto com os balanços de massa, energia e entropia, e o trabalho de fronteira.
Seleção: Texto com os estados e processos selecionados na tela principal.
Gráfico: Imagem do gráfico principal e suas escalas.
Tela: Imagem da tela principal.
Thermonator: Texto com o link para baixar o Thermonator.
Após selecionar o texto ou a imagem para compartilhar, uma caixa de diálogo será exibida solicitando que você escolha o aplicativo para o qual deseja exportar esses dados. Esses aplicativos estão instalados em seu celular, portanto, podem variar para cada usuário: Mail, WhatsApp, Facebook, Instagram, X, TikTok, Reddit, LinkedIn, etc.
