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Termodinâmica Introdução e conceitos básicos Parte 1 Termodinâmica EMB5009 Prof. Kleber Paiva

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Termodinâmica

Introdução e conceitos básicos

Parte 1

Termodinâmica – EMB5009 – Prof. Kleber Paiva

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

Exercícios

•Converta as seguintes leituras a) 200 bar para Pa; b) 10 atm para Pa

• 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

Volume de Controle

• 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

• Densidade média da Terra:

T

TT

V

m

363713

4km

kg 105,98 24

T

3

3

4T

T

R

m

3kg/m 5520T

Densidade

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

Leitura

•Çengel 7° Edição – Capítulo 1 – 1.1 até 1.7

Material preparado com o auxílio das seguintes fontes:

Y. A. Çengel, M. A. Boles, Termodinâmica, 7ª Ed.,Mcgraw-Hill, 2013 (Versões em português).

G. J. Van Wylen, R. E. Sonntag, C. Borgnakke,Fundamentos da Termodinâmica Clássica, EdgarBlücher, 6ª ed., 2003.

Referências Bibliográficas