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TERMODINÂMICA APLICADALEONARDO DE QUEIROZ MOREIRA
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Conceitos e definiçõesGOIÂNIA, 29/08/2016.
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ObjetivoApresentar os conceitos e definições preliminares utilizadas durante o curso de termodinâmica Aplicada;
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Tópicos abordadosUnidades: massa, comprimento, tempo e força
Energia
Volume específico
Pressão
Temperatura
Lei zero da termodinâmica
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Tópicos abordadosSistema e volume de controle
Pontos de vista macroscópico e microscópico
Estados e propriedades de uma substância
Processos e ciclos
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O que é Termodinâmica?◦ A palavra termodinâmica deriva das palavras gregas therme (calor) e dynamis
(força/potência).
◦ Ciência da energia e da entropia;
Definição alternativa:
◦ Estudo das leis que regem a relação entre calor e outras formas de energia.
◦ Ciência que trata do calor e do trabalho;
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TermodinâmicaPor meio de experimentos e do método científico, as descobertas da foram formalizadas através:
◦ Lei zero;
◦ Primeira, segunda e terceira leis da termodinâmica;
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O que é Energia?◦ É uma capacidade de causar alguma alteração;
Princípio de conservação de energia: Durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia permanece constante.
A primeira lei da termodinâmica: Uma equação para a conservação da energia.
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Aplicações da Termodinâmica
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SistemaSistema é usado para definir o objeto em análise que possui uma quantidade de matéria fixa.
Tudo o que é externo ao sistema é chamado de vizinhança ou meio;
A separação entre o sistema e o meio é chamada de fronteiras do sistema;
◦ Repouso;
◦ Movimentando.
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Sistema
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SistemaCalor e trabalho podem cruzar as fronteiras do sistema;
Sistema isolado: é aquele que não é influenciado pelo meio (vizinhança)
Calor e trabalho não cruzam as fronteiras do ◦sistema;
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SistemaAs fronteiras que circundam um sistema podem ser classificadas como:
Adiabáticas: São aquelas onde não há fluxo de calor atravessando.
Diatérmicas: São aquelas onde tem-se uma temperatura descrita e conhecida, sendo uma distribuição linear ou não.
Newmann: São aquelas onde tem-se um fluxo de calor descrito e conhecido, sendo uma distribuição linear ou não.
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SistemaFronteiras:
◦ Rígidas: São aquelas que não se deslocam com tempo.
◦ Móveis: São aquelas que se deslocam com tempo.
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Volume de controle
Volume de controle: Uma região devidamente selecionados no espaço.
É geralmente envolve um dispositivo que envolve o fluxo de massa, tal como um compressor, turbina, ou bocal.
A superfície desse volume é denominada superfície de controle;
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Volume de controle
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Volume de controle
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Sistema e Volume de controleOutras denominações:
Sistema fechado = sistema –> massa fixa;
Sistema aberto = volume de controle –> fluxo de massa;
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Macroscópico e MicroscópicoAbordagem macroscópica ou Termodinâmica Clássica;
Efeitos totais ou efeitos médios de uma porção de moléculas;
Sob o ponto de vista macroscópico, não interessa a ação isolada de umapartícula, e sim, nos efeitos médios de várias moléculas;
Pressão: força média em relação ao tempo, que atua sobre uma certa área epode ser medida por um manômetro.
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Macroscópico e MicroscópicoAbordagem microscópica ou Termodinâmica estatística;
O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio daspartículas que compõem o sistema de interesse e relacionar essa informaçãocom o comportamento macroscópico observado do sistema.
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Macroscópico e MicroscópicoExemplo do ponto de vista microscópico
Sistema com gás monoatômico, a pressão e temperatura atmosféricas,contidos em um recipiente cúbico com arestas de 25mm.
Este sistema possui aproximadamente 1020 átomos;
O comportamento desde sistema pode ser determinado por:
3 coordenadas (x,y,z) para representar as posições de cada átomo;
3 variáveis para descrever o vetor velocidade (u,v,w) de cada átomo;
6 equações/átomos, são 1020 átomos totaliza-se 6.1020 equações para seremresolvidas.
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Macroscópico e MicroscópicoAbordagem estatística:
Considerações estatísticas;
Teoria da probabilidade;
Modelo de molécula.
É estudada pela teoria cinética e mecânica estatística.
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Meio contínuoA matéria é feita de átomos que são amplamente espaçados em fase gasosa. No entanto, é muito conveniente para desconsiderar a natureza atômica de uma substância e vê-lo como uma porção contínua e homogênea (sem espaços), ou seja, um meio contínuo.
A hipótese de contínuo -> permite assumir as propriedades variam continuamente no espaço sem descontinuidades ou variações abruptas.
Validade -> o tamanho do sistema é grande em relação ao espaço entre as moléculas.
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Estado e propriedade de uma substânciaFase: é uma quantidade de matéria totalmente homogênea;
Em cada fase as substâncias podem existir a várias pressões e temperaturas;
Exemplo: Água -> fase sólida, fase líquida e fase gasosa.
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Estado e propriedade de uma substânciaPropriedade é uma característica de um sistema para as quais um valor numérico pode ser atribuído em um instante de tempo sem o conhecimento do comportamento prévio (história ou caminho) do sistema.
Ex.: Massa, volume, energia, pressão e temperatura.
Propriedade específica: é a propriedade por unidade de massa.
Ex. Volume específico: V
vm
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Estado e propriedade de uma substância
Propriedades termodinâmicas
Propriedades intensivas
independente da massa;
Propriedades extensivas
varia diretamente com a massa;
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Estado e propriedade de uma substânciaSe uma quantidade de matéria, em um dado estado, for dividida em duas partes iguais:
As propriedades intensivas permanecem com mesmo valor;◦
As propriedade extensivas tem o valor reduzido pela metade;◦
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Estado e propriedade de uma substânciaExemplo de propriedades:
◦ As propriedades intensivas -> Temperatura; Pressão; Massa específica;
◦ As propriedade extensivas -> Massa; Volume total.
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Estado e propriedade de uma substânciaEstado refere-se à condição de um sistema descrito por suas propriedades.
◦ Temperatura, pressão e massa específica, entalpia, entropia...
Cada uma das propriedades de uma substância apresentam somente um determinado valor para um dado estado, independentemente da forma pela qual a substância chegou até ele.
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Estado e propriedade de uma substânciaA termodinâmica clássica enfatiza principalmente os estados de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro.
Estado de equilíbrio: é um estado que não existem potenciais desequilibrios dentro do sistema (forças motrizes).
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Estado e propriedade de uma substânciaQuando um sistema é isolado seu estado pode mudar como consequência de eventos espontâneos que estejam ocorrendo internamente, a medida que suas propriedades, tendam a valores uniformes.
Quando todas essas mudanças ◦cessam o sistema esta em equilíbrio.
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Estado e propriedade de uma substânciaEquilíbrio térmico: variação da temperatura é nula em todo o sistema;
Equilíbrio mecânico: variação da pressão é nula em todo o sistema.
Equilíbrio de fase: se o sistema contém duas fases e a massa de cada uma das fases alcança o equilíbrio e não se altera mais.
Equilíbrio químico: Se a composição química de um sistema não se altera com o tempo, isto é, não há reações químicas ocorrem.
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Estado e propriedade de uma substânciaQuando um sistema está em equilíbrio, em relação a todas as possíveis mudanças de estados ->> Sistema está em equilíbrio termodinâmico.
Propriedades de um sistema em equilíbrio, i.e., implica que o valor da propriedade tem significância para todo o sistema.
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Estado e propriedade de uma substânciaQuando, pelo menos, uma propriedade se altera em um sistema ocorreu uma mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo.
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Processos e ciclosCaminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre é chamado processo;
Para descrever um processo completamente, deve-se especificar os estados inicial e final, bem como o caminho que se segue, e as interações com o ambiente.
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Processos e ciclosProcesso ideal ou de quase-equilíbrio: desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal.
Todos os estados pelos quais o sistema passa pelo processo podem ser considerados estados de quase-equilíbrio;
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Processos e ciclosProcesso de não-equilíbrio: mudança rápida de estados;
Ficamos limitados a avaliação do sistema antes e após ocorrer o processo;
◦ Efeitos globais.
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Processos e ciclosDiagramas de processo são representados graficamente pela utilização de propriedades termodinâmicas como eixos coordenadas são muito úteis em visualizar os processos.
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Processos e ciclosProcessos:◦ Isotérmicos - a temperatura permanece constante durante o processo;
◦ Isobárico - a pressão permanece constante durante o processo;
◦ Isocórico, isovolumétrico - o volume permanece constante durante o processo;
Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por um certo número de processos e finalmente retorna ao estado inicial, diz que o sistema executou um ciclo. T1 ,P1
T2 , P2T3 , P3
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Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema InternacionalTempo:
◦ Unidade padrão: segundo – “s”;
◦ 1 s: tempo requerido para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclo do ressonador que utiliza um feixe de átomos de césio-133
◦ Minuto (min), hora (h) e dia (dia)
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Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema InternacionalComprimento:
Unidade padrão: metro – “m”;
1 m: comprimento da trajetória percorrido pela luz no vácuo durante o intervalo de tempo de 1/299.792.458 s
Massa:
Unidade padrão: quilograma – “kg”;
1 kg: massa de um determinado cilindro de platina-irídio, mantido sob condições preestabelecidas no Escritório Internacional de Pesos e Medidas em Sevres, França.
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Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema Internacional
Mol• ou mole: quantidade de substância que contém tantas partículaselementares quanto existem átomos em 0,012 kg de carbono-12. Porexemplo: 1 mole de oxigênio diatômico tem peso molecular de 32 e umamassa de 0,032 kg.
kilomol• : quantidade da substância, em quilogramas, numericamenteigual ao peso molecular;
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Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema Internacional
Força•
Definida a partir da segunda lei de Newton:
F=◦ m.a
Unidade padrão no sistema internacional é o Newton “N”;
1 N: Força necessária para acelerar uma massa de 1 kg a razão de 1 m/s2
1 ◦ N = 1 kg m/s2
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Unidade de massa, comprimento, tempo e força –Sistema Internacional
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Volume específico e massa específicaConsiderando um pequeno volume de um sistema e considerando a massadesse sistema, o volume específico é definido como:
onde é o menor volume no qual o sistema pode ser considerado comoum meio contínuo.
'limV V
Vv
m
'V
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Volume específico e massa específica
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Volume específico e massa específica• Volume específico : volume ocupado pela unidade de massa;
• Unidade padrão no SI: é m3/kg; é kg/m3;
• Obs: para volumes outra unidade utilizada é o litro (L), 1L=10-3 m3.
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Volume específico e massa específicaMassa específica: massa associada a unidade de volume, ou o
inverso do volume específico:
1
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EnergiaDefinição: capacidade de se produzir um efeito;
◦ Pode ser acumulada em um sistema;
◦ Pode ser transferida de um sistema para outro;
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EnergiaA energia total de um sistema pode ser definida por:
Em que:
U - Energia interna;
Ec - Energia cinética;
Ep – Energia Potencial
c pE U E E
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EnergiaExemplo:
Macroscopicamente o que importa é a quantidade de calor que está sendo transferida;
Mudança das propriedades: temperatura e pressão;
Traçar o Gráfico Temperatura por tempo.
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PressãoPressão é definida como a componente normal da força por unidade de área;
Em um fluido em repouso, a pressão é igual em todas as direções
'lim n
A A
Fp
A
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Pressão• Unidade no SI: Pascal (Pa): 1 Pa = 1N/m2
• Atmosfera padrão: 1 atm = 101.325 Pa
• 1 bar = 100.000 Pa = 0,1 Mpa
• No sistema inglês: lbf/in2 ou psi:
• 1 psi = 6.894,757 Pa
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Pressão
• Pressão absoluta: Pabs
• Pressão atmosférica: Patm
• Pressão manométrica ou efetivaΔP = Pabs - Patm
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Medidores de Pressão
atmp p gL
atm vapor mp p gL
a bp p
a bp p
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Pressão
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PressãoUm manômetro de mercúrio é utilizado para medir pressão no recipiente mostrado abaixo. Massa específica do mercúrio é 13.590 kg/m3 e a diferença entre as alturas é igual a 0,24 m. Determine a pressão no recipiente. Para determinar a pressão atmosférica foi usado um barômetro com uma altura de 750 mm mercúrio.
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Pressão
Pressão absoluta
3 2
2
13590 0,24 9,81
31996 31996 31,996
manométrica
kg mp p Hg m
m s
kgPa kPa
m s
31996 (13.590 0,750 9,81)
131.984 1,303
Hg
abs atm
Patm H g
p P p
Pa Pa
Pa atm
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TemperaturaO conceito de temperatura se origina das nossas percepções sensoriais;
Noções de corpo ◦ “quente” ou “frio”;
Usamos o sentido do tato para distinguir corpos quentes de frios;◦
Escala em função da ordem em que ele ◦ é “mais quente”...
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TemperaturaConsidere dois blocos de cobre A e B, e suponha que nosso sentido nos diga que o A é mais quente do que o B.
Se os blocos fossem colocados em contato e ◦isolados de suas vizinhanças;
Após um tempo...◦
Os blocos quando sujeitos ao tato produziriam a ◦mesma sensação térmica.
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TemperaturaOs blocos possuem uma propriedade física que determina se eles estão em equilíbrio térmico. Essa propriedade é chamada temperatura
Quando os dois blocos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são ◦iguais.
Lei zero da termodinâmica.
Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si.
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TemperaturaTermômetros
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TemperaturaTodas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de água:
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TemperaturaTodas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de água:
Ponto de congelamento (solidificação): ◦ uma mistura de gelo e de água que está em equilíbrio com ar saturado com vapor a pressão de 1 atm (0 °C).
Ponto de ebulição (vapor):◦ Uma mistura de água líquida e de vapor de água (sem ar) em equilíbrio a pressão de 1 atm (100 °C).
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Comparação entre as escalas de temperaturaNo SI é o grau Celsius (ºC)
No sistema inglês é o Fahrenheit (ºF)
Escala absoluta:
Kelvin (K)◦
Rankine (R) ◦
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDado: enuncie de forma sucinta o que se conhece.
Pede-se: enuncie concisamente, o que deve ser determinado.
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDiagrama Esquematico e Dados Fornecidos: desenhe um esboço do sistema a ser considerado. Decida se utilizará:
sistema ◦
volume de controle◦
Identifique cuidadosamente a fronteira.
Adicione ao diagrama informações do enunciado do problema que sejam relevantes.
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDiagrama Esquematico e Dados Fornecidos:
Liste todos os valores de propriedades que são fornecidos ou antecipe aqueles que podem ser necessários para cálculos subsequentes.
Esboce diagramas de propriedades apropriados, localizando postos-chaves de estado e indicando, se possível, os processos executados pelo sistema.
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaModelo de Engenharia: liste todas as hipóteses simplificadoras e as idealizações feitas a fim de tornar o problema viável.
Algumas vezes essa informação pode ser adicionada aos esboços do passo anterior. O desenvolvimento de um modelo apropriado é um aspecto-chave para o sucesso da solução do problema.
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaAnalise: usando as hipóteses e idealizações adotadas, simplifique as equações de governo e as relações adequadas, colocando as nas formas que irão produzir os resultados desejados.
É aconselhável trabalhar com as equações o máximo possível antes de substituir os dados numéricos.
Realize, então, os cálculos necessários.
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Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaFinalmente, avalie se as magnitudes dos valores numéricos são razoáveis e se os sinais algébricos associados aos valores numéricos estão corretos.