AULA01 - Introducao e Conceitos Basicos termo - p1
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INTRODUÇÃO
• O que é TERMODINÂMICA?•Do grego – Thérme = calor | Dynamis = movimento
•Pode ser definida como a ciência da energia•Definição de energia?•Capacidade de causar alterações
INTRODUÇÃO
•Histórico•Surgiu com a construção dos primeiros motores a vapor
• Thomas Savery – 1697• Thomas Newcomen – 1712
INTRODUÇÃO
•Histórico•O termo termodinâmica foi utilizado pela primeira vez por
Lord Kelvin em 1849•O primeiro livro sobre termodinâmica foi escrito por
William Rankine em 1859
INTRODUÇÃO
•Como está estruturada•1ª Lei da Termodinâmica – Conservação da Energia•A energia não pode ser criada nem destruída mas apenas
convertida de uma forma em outra•A energia é uma propriedade termodinâmica com caráter
quantitativo
INTRODUÇÃO
•2ª Lei da Termodinâmica•A energia tem qualidade•Os processos reais ocorrem na direção da diminuição da
qualidade de energia•O calor flui da maior para a menor temperatura
INTRODUÇÃO
•Lei Zero da Termodinâmica•Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um
terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si
Aplicações
• Hoje engloba todos os aspectos da energia e suas transformações
• Geração de energia elétrica
• Refrigeração
• Propulsão
• 1. Saber: Leia cuidadosamente o problema
• 2. Achar: Descubra o que é pedido
• 3. Esquematizar: Desenhe um esquema do sistema. Anote o valordas propriedades
• 4. Resolver: Desenvolver a resolução mais completa possívelantes de substituir os valores numéricos. Realizar os cálculosnecessários para obtenção dos resultados.
• 5. Analisar: Analise seus resultados. São coerentes? Comente senecessário
METODOLOGIA DE RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM TERMODINÂMICA
SISTEMAS DE UNIDADES
•Tipos de sistemas•Sistema Inglês•Sistema Internacional – SI
• Baseado no escalonamento decimal
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SI•Nome e Símbolo
• As unidades SI podem ser escritas por seus nomes ou representadas por meio de símbolos.
• Exemplos:• Unidade de comprimento
• nome: metro
• símbolo: m
• Unidade de tempo• nome: segundo
• símbolo: s
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SI•Nome em letra minúscula
• Os nomes das unidades SI são escritos sempre em letra minúscula.
• Exemplos:• quilograma, newton, metro cúbico
• Exceção:• no início da frase e "grau Celsius“
•Pronúncia correta• O acento tônico recai sobre a unidade e não sobre o prefixo.
• Exemplos:• micrometro, hectolitro, milisegundo, centigrama
• Exceções:• quilômetro, hectômetro, decâmetro, decímetro, centímetro e milímetro
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SI• Símbolo não é abreviatura
• O símbolo é um sinal convencional e invariável utilizado para facilitar e universalizar a escrita e a leitura das unidades SI. Por isso mesmo não é seguido de ponto.
segundoCerto
sErrados. ; seg.
metro m m. ; mtr.
quilograma kg kg. ; kgr.
hora h h. ; hr.
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SI• Símbolo não é expoente• O símbolo não é escrito na forma de expoente.
• Símbolo não tem plural• O símbolo é invariável; não é seguido de "s".
Certo Errado
250m
10g
2mg
cinco metrosCerto
5mErrado
5ms
dois quilogramas 2kg 2kgs
oito horas 8h 8hs
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SIGrandeza Nome Plural Símbolo
comprimento metro metros m
área metro quadradometros
quadradosm²
volume metro cúbico metros cúbicos m³
ângulo plano radiano radianos rad
tempo segundo segundos s
freqüência hertz hertz Hz
velocidademetro por segundo
metros por segundo
m/s
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SIGrandeza Nome Plural Símbolo
aceleraçãometro por segundo
por segundo
metros por segundo
por segundom/s²
massa quilograma quilogramas kg
massa específicaquilograma pormetro cúbico
quilogramas pormetro cúbico
kg/m³
vazãometro cúbicopor segundo
metros cúbicospor segundo
m³/s
quantidade de matéria
mol mols mol
força newton newtons N
pressão pascal pascals Pa
SISTEMAS DE UNIDADES
•Sistema Internacional – SIGrandeza Nome Plural Símbolo
potência, fluxo de energia watt watts W
corrente elétrica ampère ampères A
carga elétrica coulomb coulombs C
tensão elétrica volt volts V
resistência elétrica ohm ohms
condutância siemens siemens S
capacitância farad farads F
temperatura Celsius grau Celsius graus Celsius ºC
temp. termodinâmica kelvin kelvins K
intensidade luminosa candela candelas cd
fluxo luminoso lúmen Lúmens lm
iluminamento lux lux lx
SISTEMAS DE UNIDADES
Grandeza Nome Plural Símbolo Equivalência
pressão atmosfera atmosferas atm 101 325 Pa
pressão bar bars bar 100 000 Pa
pressãomilímetro
de mercúriomilímetros
de mercúriommHg 133,322 Pa
quantidadede calor
caloria calorias cal 4,186 8 J
área hectare hectares ha m²
forçaquilograma-
forçaquilogramas-
forçakgf 9,806 65 N
volume litro litros l ou L 0,001 m3
•Sistema Internacional – SI
• Sistema é definido como aquela região do espaço ouquantidade de matéria analisada no estudo.
• Fronteira pode ser fixa ou móvel.
SISTEMAS
m = constante
Massa NÃO
Energia SIM
SISTEMA
FECHADO
Gás
1 kg
1 m3
Fronteira móvel
Fronteira fixa
Gás
1 kg
2 m3
Fronteira móvel
Fronteira fixa
SISTEMAS
• Tipos de Sistemas: fechado ou aberto
• Sistemas fechados: não permitem troca de matéria, sãorepresentados por uma massa fixa dentro de um volume. (massa decontrole)
• Sistema isolado: sem troca de massa e energia.
• Sistemas Abertos: permitem a troca de matéria e energia e sãorepresentados por um volume (Volume de Controle)
• Seu contorno geométrico (fronteira) é denominado de superfície decontrole:• Esta superfície pode ser real ou imaginária;
• Pode estar em repouso (estacionária) ou em movimento (móvel).
• Através da superfície de controle pode atravessar:• Massa, trabalho, calor e quantidade de movimento.
Superfície
imaginária
Bocal
Superfície
real
SISTEMAS
• PROPRIEDADES qualquer característica de um sistema, como P, V,T, , , , , , etc.
• INTENSIVAS: INdependem da extensão do sistema
• EXTENSIVAS: dependem da EXtensão do sistema
,P ,T
V ,E ,m
Propriedades de um sistema
• Como descobrir se a propriedade é intensiva ou extensiva?
• Propriedades extensivas por unidade de massa são chamadas depropriedades específicas:
m
Ee
m
V v
P, T, , m, V
P
T
m/2
V/2
P
T
m/2
V/2
Propriedades de um sistema
• O estudo das propriedades de um fluido a partir docomportamento de suas moléculas consiste no enfoquemolecular;
• O enfoque molecular demonstra uma matéria descontínua,isto é, constituída por moléculas e espaços vazios entre elas;
• O estudo de um fluido a partir deste enfoque molecular é dedifícil solução matemática• Ex: a derivada de uma função só pode ser calculada em um ponto se a
função é contínua naquele ponto;
• Por esta razão é conveniente tratar o fluido como um meiocontínuo
Hipótese do Contínuo
•A hipótese do contínuo consiste em abstrair-se da composição molecular e sua consequente descontinuidade;
•Ou seja, por menor que seja uma divisão de um fluido (dm, dx, dv, etc.) esta parte isolada deverá apresentar as mesmas propriedades que a matéria como um todo;
•A hipótese do contínuo permite estudar as propriedades dos fluidos através do cálculo diferencial e(ou) integral, uma vez que continuidade é fundamental na teoria do cálculo.
•O modelo de meio contínuo tem validade somente para um volume macroscópico no qual exista um número muito grande de partículas;
Hipótese do Contínuo
•Massa Específica ou Densidade absoluta • Massa especifica ou densidade absoluta de uma substância
homogênea é a razão entre a massa considerada de uma porção qualquer dessa substância e o seu correspondente volume, a uma dada temperatura.
• No SI a massa é medida em kg e o volume em m3. • A massa específica também pode ter as seguintes unidades g/cm3,
g/L, kg/L.
Massa Específica
3
m kg
V m
•Massa Específica ou Densidade absoluta (g/cm3 )
Massa Específica
Alumínio 2,7 Ferro 7,8 Madeira 0,6
Água 1 Gelo 0,92 Mercúrio 13,6
Ar 0,001 Gasolina 0,7 Ouro 19,3
Chumbo 11,3 Glicerina 1,25 Platina 21,4
Cortiça 0,24 Latão 8,6 Prata 10,5
• Densidade de um corpo é a razão de sua massa pelo volume delimitado por sua superfície externa, independente dele ser homogêneo ou não.
• A densidade de um corpo só coincide com a massa específica quando este for maciço e composto somente por uma substância.
V
m
3m
kg
Densidade
( )Ro
O volume específico é o inverso da densidade:
Interpretação: É o volume ocupado por uma unidade demassa!
kg
m v
3
m
V
Volume específico
• Algumas vezes é conveniente definir a densidade relativa:
3
H2O
m
kg
100002
C
DR
OH
Substância DR
Água 1,0
Sangue 1,05
Água do mar 1,025
Gasolina 0,7
Mercúrio 13,6
Ouro 19,2
Ossos 1,7-2,0
Gelo 0,92
Madeira 0,3-0,9
Densidade Relativa
1) Sabendo que a densidade absoluta da água e do ar a 20oC é cerca de 1000kg/m3 e 1 kg/m3, respectivamente. Calcule o volume ocupado por 1 kg decada substância.
2)Um cubo de gelo possui massa de 7,36 g. Qual o comprimento da aresta docubo?
Exercícios
• Como descrever um sistema do ponto vista termodinâmico?
• Estado de um sistema conjunto de propriedades fixas quedescreve o sistema.
• Não há alteração das propriedades no tempo!
Estado BEstado A
Estado e Equilíbrio
• A termodinâmica clássica trata de ESTADOS DE EQUILÍBRIO!
• Equilíbrio significa que NÃO existem FORÇAS MOTRIZESINTERNAS
• Equilíbrio TERMODINÂMICO:
TÉRMICO + MECÂNICO + QUÍMICO
Estado e Equilíbrio
Estado A Estado B
• PROPRIEDADES qualquer característica de um sistema, como P, V, T, , m, v etc.
• Será que eu preciso de TODAS as propriedades para descrever o estado de um sistema?
• Algumas propriedades estão relacionadas!!!
PTvvvPTTvTPP ,ou ,ou ,
Estado e Equilíbrio
“O estado de um sistema compressível simples é determinado por duas propriedades intensivas
independentes.”
Estado e Equilíbrio
• Sistema compressível simples (SCS): sem o efeito de forças externas (gravitacionais, magnéticas etc)
Sistema 1
Sistema 2
1= 1(T,v,h)
h é importante!
Não é SCS!
2= 2(T,v)
h NÃO é importante!
SCS!
Estado e Equilíbrio
Gás
T = 25 ºC
v = 1 m3/kg
T e v são independentes, pode-se
variar uma de modo independente da
outra.
T e P são independentes somente
para gases.
“O estado é determinado por duas propriedades intensivas
independentes.”
Estado e Equilíbrio
• Processo: é toda mudança pela qual o sistema passa de um estado deequilíbrio para outro.
P
V
GásGás
GásGás
Gás
1 2 3 4 5
Processos e Ciclos
• Um processo quase-estático é aquele em que o desvio do equilíbriotermodinâmico é infinitesimal.
• Processo quase-estático ou de quase-equilíbrio: sucessão de estados deequilíbrio, ou seja, é um processo suficientemente lento que permite aosistema ajustar-se internamente.
Processo lento
Gás
T = 25 ºC
v = 1 m3/kg
Processo rápido
Gás
Processos e Ciclos
• Mas por que estudar processos quase-estáticos se eles NÃO refletem a realidade?
• Assemelham-se aos reais com erro desprezível
• São fáceis de analisar
• Funcionam como padrões para processos reais
Processos e Ciclos
• Processos termodinâmicos podem ser:
ISOTÉRMICOS, ISOBÁRICOS e ISOCÓRICOS.
• Diz-se que o sistema realizou
um CICLO quando o sistema
retorna ao estado inicial.
P
V
1
2
Processos e Ciclos
•Processo em Regime Permanente
• Nenhuma modificação com o tempo
• Oposto - Processo em Regime Transiente
•Processo Uniforme
•Nenhuma variação espacial
Processo em Regime Permanente