Termodinamica_definições

8/2/2019 Termodinamica_definies

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Captulo -1

CONCEITOS

FUNDAMENTAIS


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Captulo 1 - Termodinmica Aplicada - pg - 2

1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS

1.1 - Sistema Termodinmico

Sistema termodinmico consiste em uma quantidade de matria ou regiopara a qual nossa ateno est voltada. Demarcamos um sistema termodinmicoem funo daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistematermodinmico chamado MEIO ou VIZINHANA.

O sistema termodinmico a ser estudado demarcado atravs de umaFRONTEIRA ou SUPERFCIE DE CONTROLE a qual pode ser mvel, fixa, real ouimaginria.

Sistema Fechado - o sistema termodinmico no qual no h fluxo de

massa atravs das fronteiras que definem o sistema.

Volume de Controle - Ao contrrio do sistema fechado, o sistematermodinmico no qual ocorre fluxo de massa atravs da superfcie de controle quedefine o sistema.

Assim, dependendo da interao entre o sistema termodinmico definidopara estudo, e a vizinhana, chamaremos a essa regio de Sistema Fechado(demarcado pela fronteira) ou Volume de Controle (demarcado pela superfcie decontrole) conforme se verifique as definies acima citadas. Exemplos de SistemaFechado e Volume de Controle

A figura 1.1-1 um sistema termodinmico fechado, pois no h fluxo demassa atravs das fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor.

A figura 1.1-2, por sua vez, constitui um volume de controle pois temos fluxode massa atravessando a superfcie de controle do sistema.

Fig. 1.1-1 - Sistema fechado Fig. 1 .1-2 - Volume de controle

Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinmico isolado quando no

existe qualquer interao entre o sistema termodinmico e a sua vizinhana. (ouseja, atravs das fronteiras no ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc. )


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1.2 - Estado e Propriedades de uma Substncia

Se considerarmos uma massa de gua, reconhecemos que ela pode existir

sob vrias formas. Se inicialmente lquida pode-se tornar vapor aps aquecida ouslida quando resfriada. Assim nos referimos s diferentes fases de umasubstncia: uma fase definida como uma quantidade de matria totalmentehomognea; quando mais de uma fase est presente, as fases se acham separadasentre si por meio dos contornos das fases. Em cada fase a substncia pode existira vrias presses e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinmica, emvrios estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedadesmacroscpicas observveis; algumas das mais familiares so: temperatura,presso, volume, etc. Cada uma das propriedades de uma substncia num dadoestado tem somente um valor definido e essa propriedade tem sempre o mesmovalor para um dado estado, independente da forma pela qual a substncia chegou a

ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade quedepende do estado do sistema e independente do caminho (isto , da histria)pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado especificado ou descrito pelas propriedades.

Propriedades Termodinmicas - As propriedades termodinmicas podemser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva quela quedepende do tamanho (extenso) do sistema ou volume de controle. Assim, sesubdividirmos um sistema em vrias partes (reais ou imaginrias) e se o valor deuma dada propriedade for igual soma das propriedades das partes, esta umavarivel extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc.

Propriedade Intensiva - Ao contrrio da propriedade extensiva, apropriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura,Presso etc.

Propriedade Especfica - Uma propriedade especfica de uma dadasubstncia obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa darespectiva substncia contida no sistema. Uma propriedade especfica tambmuma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade especfica:

Volume especfico , , ==V

M

Energia Interna especfica , u, uU

M==

onde: M a massa do sistema, V o respectivo volume e U a energia interna totaldo sistema.


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1.3 - Mudana de Estado de um Sistema Termodinmico

Quando qualquer propriedade do sistema alterada, por exemplo; Presso,Temperatura, Massa, Volume, etc. dizemos que houve uma mudana de estado nosistema termodinmico.

Processo - O caminho definido pela sucesso de estados atravs dos quaiso sistema passa chamado processo.

Exemplos de processos:

- Processo Isobrico (presso constante)- Processo Isotrmico (temperatura constante)- Processo Isocrico (isomtrico) (volume constante)- Processo Isoentlpico (entalpia constante)- Processo Isoentrpico (entropia constante)- Processo Adiabtico (sem transferncia de calor)

Ciclo Termodinmico - Quando um sistema (substncia), em um dadoestado inicial, passa por certo nmero de mudana de estados ou processos e

finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinmico.Deve ser feita uma distino entre ciclo termodinmico, descrito acima, e umciclo mecnico. Um motor de combusto interna de quatro tempos executa um ciclomecnico a cada duas rotaes. Entretanto o fluido de trabalho no percorreu umciclo termodinmico dentro do motor, uma vez que o ar e o combustvel soqueimados e transformados nos produtos de combusto, que so descarregadospara a atmosfera.

1.4 - Lei Zero da Termodinmica

Quando dois corpos tem a mesma temperatura dizemos que esto emequilbrio trmico entre si. Podemos definir a lei zero da termodinmica como:

" Se dois corpos esto em equilbrio trmico com um terceiro eles estoem equilibrio trmico entre si ".

A lei zero da termodinmica define os medidores de temperatura, osTERMMETROS.


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1.5 - Escalas de Temperatura

Para a maior parte das pessoas a temperatura um conceito intuitivobaseado nas sensaes de "quente" e "frio" proveniente do tato. De acordo com asegunda lei da termodinmica, a temperatura est relacionada com o calor ficandoestabelecido que este, na ausncia de outros efeitos, flui do corpo de temperaturamais alta para o de temperatura mais baixa espontaneamente.

O funcionamento dos termmetros est baseada na lei zero datermodinmica pois so colocados em contato com um corpo ou fluido do qual sedeseja conhecer a temperatura at que este entre em equilbrio trmico com orespectivo corpo. A escala do aparelho foi construda comparando-a com umtermmetro padro ou com pontos fsicos fixos de determinadas substncias.

Quatro escalas de temperatura so hoje usadas para se referir temperatura,duas escalas absolutas e duas escalas relativas; so elas respectivamente: EscalaKELVIN (K) e RANKINE (R) e escala Celsius (C) e Fahrenheit (F). A Fig. 1.5-1mostra as quatro escalas de temperatura e a relao entre elas.

Figura 1.5-1 - As escalas de temperatura e sua inter-relao

Tipos de Termmetros

- Termmetro de Mercrio em vidro (expanso volumtrica)- Termmetro de Alcool em vidro (expanso volumtrica)- Termmetro de Par Bimetlico (dilatao linear diferenciada)- Termmetro de Termistores (variao da resistividade)- Termmetro de Gs Perfeito (expanso volumtrica)- Termmetro de Termopar (fora eletromotriz)- Pirmetro tico (cor da chama)- etc.


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Exemplo 1.5-1

Escreva a relao entre graus Celsius (oC) e Fahrenheit (

oF)

Soluo - Considere-se a escala dos dois Termmetros, Celsius

e Fahrenheit como mostrado na figura

Interpolando linearmente as escalas entre a referncia de gelo

fundente e a referncia de vaporizao da gua temos:

O OC F

==

0

100 0

32

212 32 O OC F==

5

9 32( )

1.6 - Presso

Presso, uma propriedade termodinmica, definida como sendo a relaoentre uma fora e a rea normal onde est sendo aplicada a fora. A Fig. 1.6-1ilustra a definio dada pela equao 1.6 -1

PA A

F

Ai

N==

lim

(1.6 -1)

Figura 1.6-1 - Definio de Presso


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Unidades de Presso

Pascal, Pa =N

m 2,

Quilograma - fora por metro quadrado, =kgf

m 2

Psig =lbf

in2, (manomtrica) Psia =

lbf

in 2(absoluta)

bar = 105

Pascal

As presses abaixo da presso atmosfrica e ligeiramente acima e asdiferenas de presso (como por exemplo, ao longo de um tubo, medidas atravsde um orifcio calibrado) so obtidas freqentemente com um manmetro em U quecontm como fluido manomtrico: gua, mercrio, Alcool, etc. como mostra a Fig.1.6-2

Figura 1.6-2 manmetro em U usado junto com um orifcio calibrado

Pelos princpios da hidrosttica podemos concluir que, para uma diferena denvel, L em metros, em um manmetro em U, a diferena de presso em Pascal dada pela relao :

P gL==

onde g a acelerao da gravidade, em m/s2, a densidade do fluidomanomtrico, em kg/m3 e L a altura da coluna de lquido, em m (metros) .

OBS.

A presso atmosfrica padro definida como a presso produzida por umacoluna de mercrio exatamente igual a 760 mm sendo a densidade do mercrio de13,5951 gm / cm3 sob a acelerao da gravidade padro de 9,80665 m / s2

uma atmosfera padro = 760 mmHg =101325 Pascal = 14,6959 lbf / in2


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Exemplo 1.6-1

Em uma anlise para se obter o balano trmico de um motor diesel necessrio

medir-se a vazo de ar admitido pelo motor. Um orifcio calibrado montado em uma caixa

de entrada junto com um manmetro em U na admisso do motor, como mostrado,

esquematicamente na figura. A vazo mssica do fluido escoando, m

, em kg/m3

est

relacionada, em um orifcio calibrado, pela seguinte expresso, m A C PD

== 2 , onde P

a diferena de presso no manmetro em U ,

em Pascal, A a rea do orifcio calibrado, em

metros quadrados, CD o coeficiente de

descarga do orifcio,cujo valor particular, para

este caso 0,59, a densidade do fluido em

escoamento. Determinar a vazo de ar para osdados mostrados na figura. (Considere a

acelerao gravitacional local igual a 9,81 m/s2

,

a densidade do ar como sendo, = 1,2 kg/m3 e adensidade da gua do manmetro igual a 1000 kg/m

3)

Soluo- Clculo da diferena de Presso indicada no manmetro em U:

P g L Pa== == == 1000 9 81 0 260 2550 6, , ,

- Calculo da rea do orifcio calibrado. Dos dados da figura temos

Ad

m== ==

== 2 2

2

4

3 14159 0 045

40 00159

, ( , ),

- A vazo em massa de ar admitida pelo motor diesel, pela expresso ser

mkg

sAR

== ==0 00159 0 59 2 1 2 2 550 6 0 0734, , , . , ,


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Exerccios

1-1) Um manmetro montado em um recipiente indica uma presso de1,25MPa e um barmetro local indica 96kPa. Determinar a presso interna absolutado recipiente em: a) MPa , b) kgf/cm2, c) Psia e d) em milmetros de coluna demercrio.OBS.: Adote para o mercrio a densidade de 13,6gm/cm3

1-2) Um termmetro, de liquido em vidro, indica uma temperatura de 30 oC.Determine a respectiva temperatura nas seguintes escalas: a) em graus Fahrenheit(oF) , b) em graus Rankine (oR) e c) em Kelvin (K).

1-3) Um manmetro contm um fluido com densidade de 816 kg/m3. Adiferena de altura entre as duas colunas 50 cm. Que diferena de presso indicada em kgf/cm2? Qual seria a diferena de altura se a mesma diferena depresso fosse medida por um manmetro contendo mercrio (adote densidade domercrio de 13,60 gm/cm3)

1-4) Um manmetro de mercrio, usado para medir um vcuo, registra 731mm Hg e o barmetro local registra 750 mm Hg. Determinar a presso em kgf/cm2 eem microns.

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