TÓPICOS DE FÍSICA -...

06/08/2015

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TERMODINÂMICA

Aula 01 - Fundamentos

Prof. Dr. Sergio Turano de Souza

INTRODUÇÃO E DEFINIÇÕES

1. Usando a Termodinâmica

2. Máquinas Térmicas

3. Definindo Sistemas

3.1 Sistemas Fechados

3.2 Volumes de Controle

3.3 Selecionando a Fronteira do Sistema

4. Descrevendo Sistemas e Seus Comportamentos

4.1 Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico da Termodinâmica

4.2 Propriedades, Estado e Processo

4.3 Propriedades Extensivas e Intensivas

4.4 Equilíbrio

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I - Fundamentos

Prof. Sergio Turano de Souza

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INTRODUÇÃO E DEFINIÇÕES

A termodinâmica tem sido estudada desde os tempos antigos, mas seu

estudo formal começou nos primórdios do século XIX através da

capacidade de corpos quentes produzirem trabalho.

Hoje o estudo da Termodinâmica é muito mais abrangente como o uso de

combustíveis fósseis de forma mais eficaz, o apoio a tecnologias

envolvendo energia renovável e o desenvolvimento de combustíveis mais

eficiente para os meios de transporte.

Ainda temos questões referentes às emissões de gases de efeito estufa e à

poluição do ar e da água.

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1. Usando a Termodinâmica

Utilizaremos os princípios extraídos da termodinâmica e de outras ciências,

tais como a mecânica dos fluidos e a transmissão de calor para analisar e

projetar sistemas com o objetivo de atender às necessidades humanas.

Buscamos obter projetos otimizados e de melhor desempenho, medido por

fatores como o aumento na produção de algum produto desejado, uma

redução na demanda de um produto escasso, uma diminuição nos custos

totais ou um menor impacto ambiental.

Os princípios da termodinâmica aplicada à engenharia exercem papel

importante no atendimento dessas metas.

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Algumas Áreas de Utilização da Termodinâmica Aplicada à Engenharia

Sistema de propulsão de aeronaves e foguetes

Sistemas alternativos de energia

Células combustíveis

Conversores magneto-hidrodinâmicos

Geração de potência por energia térmica dos oceanos, energia das ondas e marés

Geração de potência, aquecimento e resfriamento ativados por energia solar

Dispositivos termoelétricos

Turbinas eólicas

Motores de automóveis

Aplicações na bioengenharia

Aplicações biomédicas

Sistemas de combustão

Compressores, bombas

Resfriamento de equipamentos eletrônicos

Sistemas criogênicos, separação e liquefação de gases

Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado

Refrigeração por absorção e bombas de calor

Refrigeração por compressão de vapor e bombas de calor

Turbinas a gás e a vapor

Produção de potência

Propulsão

Estação Espacial

Internacional

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A termodinâmica (do grego θερμη, therme, significa "calor" e δυναμις, dynamis, significa

"potência") é o ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na

temperatura, pressão e volume - e de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em

casos menos gerais - em sistemas físicos em escala macroscópica.

Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com

"movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e

como a energia cria movimento.

Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar-se a

eficiência das primeiras máquinas a vapor, sendo em essência uma ciência experimental,

que diz respeito apenas a propriedades macroscópicas ou de grande escala da matéria e

energia.

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Considerações históricas

A breve história da termodinâmica começa com Guericke, que em 1650 projetou e construiu a primeira

bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo, através dos hemisférios de

Magdeburgo. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga percepção de que "a

natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os

corpos cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles.

otto von guericke

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Logo após este evento, o físico e químico irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos

de Guericke, e em 1656, em coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma

bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam uma correlação

entre pressão, temperatura e volume.

Com isso foi formulada a Lei de Boyle, a qual estabelece que a pressão e o volume são

inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle

chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado

com uma tampa fechada hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão ser gerada.

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Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que

o recipiente explodisse devido à alta pressão. Observando o movimento rítmico

da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma

máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante

com a ideia.

Foi somente em 1697, baseado nas ideias de Papin, que o engenheiro Thomas

Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as

máquinas fossem brutas e ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais

cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da

termodinâmica", que em 1824 publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do

Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina.

O texto trouxe as relações energéticas básicas entre a máquina de Carnot,

o ciclo de Carnot e a potência motriz. Isto marcou o início da termodinâmica

como ciência moderna.

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2. Máquinas Térmicas

Uma máquina térmica é um dispositivo cíclico cujo objetivo é converter a maior quantidade possível de

calor em trabalho. Essas máquinas contém uma substância de trabalho (água, por exemplo, nas

máquinas a vapor).

A máquinas a vapor foram inventadas no século XVIII para bombeamento de água em minas de carvão.

Hoje em dia, máquinas térmicas são utilizadas para gerar eletricidade.

Água líquida sob alta pressão absorve

calor de um reservatório de alta

temperatura até vaporizar (~500 ºC). O

vapor se expande contra um pistão (ou

pás de uma turbina) e sai com uma

temperatura muito menor. O vapor é

resfriado ainda mais no condensador,

onde se condensa e libera o calor para um

reservatório de baixa temperatura. A água

é então bombeada de volta para o

aquecedor e aquecida novamente.

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Diagrama esquemático deuma máquina térmica usadaem muitos automóveis.Uma mistura de vapor degasolina e ar entra na câmarade combustão, enquanto opistão se move para baixo. Amistura é comprimida eocorre a ignição por umafaísca. Os gases aquecidos seexpandem, levando o pistãopara baixo. Na sequência, osgases são expelidos através daválvula de exaustão e o ciclose repete.

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3. Definindo Sistemas

Um passo importante em qualquer análise científica consiste em descrever de forma

precisa o que está sendo estudado.

Na termodinâmica o termo sistema é usado para identificar o objeto da análise.

Uma vez que o sistema é definido e as interações relevantes com os outros sistemas

são identificadas, uma ou mais leis físicas são aplicadas.

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O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar.

Ele pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo quanto um refinaria

química inteira.

Podemos desejar estudar uma quantidade de matéria contida em um tanque fechado e de

paredes rígidas, ou considerar algo como o escoamento de gás natural em um gasoduto.

A composição da matéria dentro de um sistema pode ser fixa ou variar em função de

reações químicas ou nucleares.

A forma ou o volume do sistema que está sendo analisado não é necessariamente

constante, como no caso de um gás no interior de um cilindro comprimido por um pistão

ou quando um balão é inflado.

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Tudo que é externo ao sistema é considerado das vizinhanças do sistema.

O sistema é distinguido de suas vizinhanças por uma fronteira especificada, que pode estar

em repouso ou em movimento. (veremos que as interações entre o sistema e suas

vizinhanças, que ocorrem ao longo da fronteira, representam uma parte importante na

termodinâmica aplicada à engenharia).

Estudaremos basicamente dois tipos de sistemas: sistemas fechados e volumes de

controle.

Um sistema fechado refere-se a uma quantidade fixa de matéria, enquanto um volume de

controle é uma região do espaço através da qual pode ocorrer fluxo de massa.

O termo massa de controle é usado algumas vezes no lugar de sistema fechado, e o termo

sistema aberto é usado como alternativa para volume de controle.

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3.1 Sistemas Fechados

Um sistema fechado é definido quando uma determinada quantidade de matéria encontra-se

em estudo. Um sistema fechado sempre contém a mesma quantidade de matéria. Não pode

ocorrer fluxo de massa através de suas fronteiras. Um tipo especial de sistema fechado que

não interage de modo algum com suas vizinhanças é denominado sistema isolado.

Quando as válvulas estão fechadas podemos considerar o

gás como um sistema fechado.

A fronteira encontra-se somente no interior das paredes do

cilindro e do pistão. Como a fronteira entre o gás e o pistão

se move com o pistão, o volume do sistema varia.

Nenhuma massa atravessa essa fronteira ou qualquer outra

parte do contorno. Se a combustão ocorrer, a composição

do sistema muda conforme a mistura inicial de combustível

se transforma nos produtos da combustão.

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3.2 Volumes de Controle

Análises termodinâmicas podem ser realizadas em dispositivos como turbinas e bombas através das

quais massa flui, ou seja, pensamos em termos de uma certa região do espaço através da qual há

fluxo de massa. Estudamos uma região delimitada por uma fronteira prescrita. Essa região é

chamada de volume de controle. A massa pode cruzar a fronteira de um volume de controle.

Diagrama de volumes de controle – As linhas tracejadas definem o volume de controle que envolve a

máquina; Observe que ar, combustível e gases de exaustão atravessam a fronteira.

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Bio conexões

Os seres vivos e seus órgão podem ser estudados como volumes de controle.

Para o cachorro da figura, ar, comida e bebida são essenciais para manter a vida e as atividades que entram

através da fronteira, e para a saída dos produtos que não serão utilizados.

O coração, também podem ser estudados como volume de controle.

As plantas podem ser estudadas sob o ponto de vista de volume de controle. A radiação solar é usada para a

produção de substâncias químicas essenciais nas plantas por meio da fotossíntese. Durante a fotossíntese as

plantas retiram dióxido de carbono da atmosfera e liberam oxigênio para a mesma. As plantas também absorvem

água e nutrientes através de suas raízes.

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3.3 Selecionando a Fronteira do Sistema

É essencial que a fronteira do sistema seja cuidadosamente delineada antes do procedimento da

análise termodinâmica.

Mas o mesmo fenômeno físico pode ser analisado com escolhas alternativas do sistema,

fronteira e vizinhanças.

Em geral, a escolha da fronteira de um sistema é determinada por duas condições:

1) O que é conhecido sobre o possível sistema, particularmente nas suas fronteiras, e

2) O objetivo da análise.

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EXEMPLO: A figura mostra um compressor de ar conectado a um tanque de armazenamento. A fronteira do

sistema engloba o compressor, o tanque e toda a tubulação. Essa fronteira poderia ser outra se a corrente

elétrica de alimentação fosse conhecida e o objetivo da análise fosse determinar quanto tempo o

compressor deve operar até que a pressão no tanque alcance um valor especificado.

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4. Descrevendo Sistemas e Seus Comportamentos

4.1 Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico da Termodinâmica

Os sistemas podem ser estudados sob o ponto de vista macroscópico ou microscópico.

A abordagem macroscópica da termodinâmica → comportamento geral ou global (também

chamada de termodinâmica clássica).

Considere um gás em um recipiente (sistema) e um pistão móvel e um bico de Bunsen (vizinhança):

como o comportamento do gás é afetado pela ação do pistão e do bico de Bunsen?

Escolhermos grandezas observáveis para descrever o comportamento do sistema (pressão,

volume, temperatura). Essas grandezas, que são propriedades do sistema como um todo,

medidas em operações de laboratório, denominam-se grandezas macroscópicas ou grandezas

termodinâmicas.

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Agora do ponto de vista microscópico. A abordagem microscópica da termodinâmica, conhecida

como termodinâmica estatística (ou Mecânica Estatística) → se preocupa diretamente com a

estrutura da matéria.

Consideramos grandezas que descrevem os átomos e moléculas que constituem o sistema

(velocidades, energias, massas, momentos angulares, comportamentos durante colisões, etc.)

Objetivo da termodinâmica estatística → caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio

das partículas que compõem o sistema de interesse e relacionar essa informação com o

comportamento macroscópico observado do sistema.

As propriedades microscópicas não estão associadas diretamente com nossas percepções

sensoriais.

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Em todo sistema as grandezas macroscópicas e microscópicas estão relacionadas → porque elas

são, simplesmente, maneiras diferentes de descrever a mesma situação.

Em particular, deve ser possível expressar as primeiras em termos das segundas.

Exemplo:

Pressão de um gás :

• macroscópico - é medida com um manômetro.

• microscópico - se relaciona com a taxa média por unidade de área com a qual as moléculas do

gás transferem quantidade de movimento ao fluido do manômetro, enquanto colidem contra sua

superfície.

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Grandeza termodinâmica Grandeza microscópica Relação por

Pressão quantidade de movimento média quadrática

Volume caminho livre médio somatório

Temperatura energia cinética média

Energia térmica energia cinética somatório

Energia química energia potencial (elétrica) somatório

Energia interna energia mecânica somatório

Entropia no de microestados logaritmo

Grandezas termodinâmicas (macroscópicas) e grandezas físicas microscópicas relacionadas

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4.2 Propriedades, Estado e Processo

Para descrever um processo e prever seu comportamento é necessário o conhecimento de suas

propriedades e de como estas propriedades estão relacionadas.

• Propriedade - característica macroscópica de um sistema, tal como massa, volume, energia, pressão

e temperatura, para as quais um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o

conhecimento do comportamento prévio do sistema.

• Estado - refere-se à condição de um sistema como descrito por suas propriedades. Como

normalmente existem relações entre as propriedades de um sistema, com frequência o estado pode ser

especificado fornecendo-se o valor de um subconjunto dessas propriedades.

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• Processo - quando qualquer uma das propriedades de um sistema é alterada, ocorre uma

mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo. Um processo é uma

transformação de um estado a outro. Entretanto, se um sistema exibe o mesmo valor de suas

propriedades em dois tempos distintos ele está no mesmo estado nesses tempos. Um sistema

é dito em regime permanente de nenhuma de suas propriedades varia com o tempo.

Muitas propriedades são consideradas no decorrer do curso de Termodinâmica. A

termodinâmica também trata de grandezas que não são propriedades, como taxas de vazão

mássicas e transferência de energia por trabalho e calor. Uma grandeza é uma propriedade

se, e somente se, sua mudança de valor entre dois estados é independente do processo.

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Os processos termodinâmicos comumente considerados

É muitas vezes conveniente para estudar um processo termodinâmico, em que uma única

variável, tal como a temperatura, a pressão ou o volume, etc, é mantido fixo. Além disso, é útil

agrupar estes processos em pares, em que cada variável é mantida constante como um

membro de um par conjugado. Vários processos termodinâmicos comumente estudados são:

Processo isobárico: ocorre a pressão constante

Processo isocórico: ocorre a volume constante (também chamado isométrica / isovolumétrico)

Processo isotérmico: ocorre a uma temperatura constante

Processo adiabático: ocorre sem perda ou ganho de energia como calor

Processo isentrópico: a entropia permanece constante

Processo isentálpico: ocorre a uma entalpia constante

Processo isolado: nenhuma matéria ou energia (nem como trabalho nem na forma de calor) é

transferido para dentro ou para fora do sistema

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4.3 Propriedades Extensivas e Intensivas

As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas em duas classes gerais: extensivas e

intensivas.

• Propriedade extensiva - seu valor para o sistemas com um todo é a soma de seus valores para

as partes nas quais o sistema é dividido.

Exemplos: massa, volume, energia, etc.

As propriedades extensivas dependem do tamanho ou da extensão de um sistema, e podem

variar com o tempo.

Muitas análises termodinâmicas consistem basicamente em avaliar cuidadosamente as variações

de propriedades extensivas, como massa e energia, à medida que o sistema interage com suas

vizinhanças.

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• Propriedades intensivas - não são aditivas. Seu valores são independentes do tamanho ou

da extensão de um sistema, e podem variar de local para local no interior de um sistema em

qualquer momento.

Podem ser funções da posição e do tempo, enquanto propriedades extensivas podem variar

somente com o tempo.

Exemplos: volume específico, pressão, temperatura.

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EXEMPLO: Considere uma porção de matéria com a temperatura uniforme e imagine que ela é

composta de várias partes.

• A massa do conjunto é a soma das massas das partes;

• O volume total é a soma dos volumes das partes;

• A temperatura do todo não é a soma da temperatura das partes, é a mesma em toda a parte;

• Massa e volume são propriedades extensivas;

• Temperatura é uma propriedade intensiva.

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4.4 Equilíbrio

Termodinâmica → estados de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro.

Em mecânica, equilíbrio significa uma condição de estabilidade mantida por uma igualdade de

forças que se opõem.

Em termodinâmica o conceito é mais abrangente. Cada tipo de influência refere-se a um aspecto

particular ou geral do equilíbrio termodinâmico, entre estes estão os equilíbrios mecânico,

térmico, de fase e químico.

Teste para verificar se o sistema está em equilíbrio termodinâmico: isole o sistema de suas

vizinhanças e aguarde por mudanças em suas propriedades observáveis. Se não ocorrerem

mudanças, concluímos que o sistema estava em equilíbrio no momento em que foi isolado.

Pode-se dizer que o sistema está em um estado de equilíbrio.

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Quando um sistema está isolado, ele não pode interagir com suas vizinhanças. Entretanto, seu

estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos que estejam ocorrendo

no seu interior, à medida que suas propriedades intensivas, tais como temperatura e a

pressão, tendam a valores uniformes.

Quando todas essas mudanças cessam o sistema está em equilíbrio.

No equilíbrio a temperatura é uniforme ao longo do sistema. Também a pressão pode ser

considerada uniforme (desde que o efeito da gravidade não seja significativo, caso contrário,

pode existir uma variação de pressão, como uma coluna vertical de líquido).

Não há exigência de que um sistema que passa por um processo esteja em equilíbrio durante

o processo. Estados intermediários podem ser estados de não equilíbrio. Para muitos

processos apenas conhecemos d estado antes de o processo ocorrer e o estado depois que o

processo é completado.

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A termodinâmica confirma nossa experiência cotidiana do fluir do tempo: existe passado,

presente e futuro, e os fenômenos na natureza, que presenciamos durante nossa vida, são

irreversíveis.

Por exemplo, se deixamos cair um copo de vidro no chão, ele se quebra. Este fenômeno não

é reversível, isto é, na natureza não é possível acontecer como num filme rodado ao

contrário, onde o copo quebrado no chão pode, no final da cena, acabar inteiro na nossa

mão.

Para discutir a irreversibilidade dos fenômenos, introduziu-se o conceito de equilíbrio

termodinâmico.

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De acordo com a termodinâmica, todos os sistemas tendem para o equilíbrio.

De fato, o equilíbrio é por definição o último estado atingido por um sistema livre de

perturbações; é uma raridade universal.

É importante apenas como um guia de comportamento, isto é, como uma indicação da

direção em que caminham os fenômenos naturais. Esta direção é realmente o problema

fundamental da termodinâmica. Dado um certo conjunto de condições iniciais e se

soubermos que o sistema caminhará espontaneamente para o equilíbrio, poderemos prever

o estado de equilíbrio.

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O equilíbrio de um sistema está sempre associado a uma medida ou a um conjunto de

medidas feitas no sistema em estudo.

Se, por exemplo, não há nenhum movimento, devido ao completo equilíbrio de forças, foi

atingido o equilíbrio mecânico. Se a composição química em todos os pontos não se

modifica com o tempo, o sistema estará em equilíbrio químico.

0 equilíbrio térmico está associado à ausência de fluxo térmico, devido ao fato de que a

temperatura é a mesma, em todos os pontos do sistema.

Quando todas as variáveis que especificam o estado termodinâmico permanecem

inalteradas, isto é, não mudam com o tempo, o sistema atingiu equilíbrio termodinâmico.

No equilíbrio nada muda, é a imobilidade completa do sistema.

Daí a dificuldade de conseguirmos um sistema deste tipo no universo em que vivemos.

O universo é, portanto, longe do equilíbrio.

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