UTFPR – Termodinâmica 1
Conceitos Introdutórios e Definições
Princípios de Termodinâmica para Engenharia Capítulo 1
Conceitos Introdutórios e Definições
Por que estudar Termodinâmica ?
Porque ela está presente em tudo !!!
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Conceitos Introdutórios e Definições
Objetivos
• Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica aplicada à engenharia;
• O engenheiro está, geralmente, se está interessado em estudar sistemassistemas e como eles interagem com suas vizinhançasvizinhanças.
Conceitos Introdutórios e Definições
Conceitos e DefiniçõesConceitos e Definições
• SistemaSistema é tudo aquilo que desejamos estudar;
• VizinhançaVizinhança é tudo aquilo que é externo ao sistema;
• O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteirafronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento.
Conceitos Introdutórios e Definições
Sistema
Exemplo de um SistemaExemplo de um Sistema
Fronteira
Vizinhança
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Tipos de SistemaTipos de Sistema
• Defini-seDefini-se sistema fechado sistema fechado quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo.
• Também é denominado de massa de controlemassa de controle. • Um sistema fechado que não interage com suas
vizinhanças é denominado sistema isoladosistema isolado;• Volume de controleVolume de controle é definido como uma região
do espaço através da qual a massa pode escoar. Também é denominado sistema abertosistema aberto;
• Fronteira também é denominada superfície de superfície de controlecontrole. .
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Exemplos de tipos de sistemasExemplos de tipos de sistemas
Sistema fechado(massa de controle)
Volume de controle(sistema aberto)
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A Termodinâmica ClássicaA Termodinâmica Clássica
• A Termodinâmica Clássica se preocupa com o comportamento geral ou global de sistemas de interesse;
• Também denominada de visão macroscópica;
• A Termodinâmica Clássica não utiliza os modelos da estrutura da matéria em nível molecular e atômico;
• Oferece uma abordagem mais direta para a maioria do problemas;
• Utiliza uma complexidade matemática bem menor.
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A Termodinâmica EstatísticaA Termodinâmica Estatística
• A Termodinâmica Estatística se preocupa diretamente com a estrutura da matéria;
• Esta é conhecida como uma abordagem microscópica;
• A Termodinâmica Estatística objetiva estudar o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relacionar isto com a abordagem macroscópica.
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O Conceito de PropriedadeO Conceito de Propriedade
• Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo, sem o conhecimento da história do sistema.
A temperatura, o volume,e a massa das pedras degelo são exemplos de propriedades.
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Definições de Estado e Processo
Estado é uma condição de um sistemadescrito por suas propriedades
Processo
Processo é quando uma das propriedadesé alterada, ou seja, quando o estado muda
Tempo
Se nenhuma propriedade muda com a variação dotempo: o sistema está em regime permanente
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O Ciclo termodinâmico
Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se inicia e termina em um mesmo estado
Processo Processo
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Propriedade ou não-Propriedade ?
• Uma quantidade é uma propriedade se, e somente se, sua mudança em valor entre dois estados é independente do processo; Ou seja, só depende dos estados extremos e não dos detalhes do processo.
Propriedade:
Massa
Não-propriedade:
Calor
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Propriedades extensivas e intensivas
• Uma propriedade é extensiva se o seu valor para um sistema é a soma de todas as partes que o compõem;
• Uma propriedade intensiva é aquela que varia ao longo do sistema em determinado momento.
A massa total é a somadas massas das partes
A temperatura é a mesma para cada parte
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Fase e substância
• Fase é uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo em composição química e em estrutura física;
• Substância pura é aquela cuja composição química é uniforme e invariável.
Copo com gelo e água:•Duas fases;•Uma substância pura.
Copo com água e óleo:•Duas fases;•Um estado da matéria.
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Equilíbrio
• É uma condição de estabilidade utópica;
• Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.
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Processos Reais
• Em processos reais, ou de não-equilíbrio, as propriedades variam com o tempo e o espaço, às vezes, caoticamente;
• Pode-se, por uma aproximação infinitesimal do processo, obter-se o que é chamado de processo em estado de quase-equilíbrio (ou quase-estacionário)
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Sistemas de Unidades
SI (Sistema Inter. de Unid.)SI (Sistema Inter. de Unid.) (Sistema Inglês de Unidades)(Sistema Inglês de Unidades)
Quantidade Unidade Símbolo Unidade Símbolo
massamassa quilogramaquilograma kgkg libra-massalibra-massa lblb
comprimentocomprimento metrometro mm pépé ftft
tempotempo segundosegundo ss segundosegundo ss
força newton (= 1 kg.m/s²) N libra-força (= 32,1740 lb.ft/s²) lbf
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Sistemas de Unidades
1 kg = 2,2046 lb1 kg = 2,2046 lb → 1 lb = 0,4536 → 1 lb = 0,4536 kgkg
1 m = 3,2808 ft 1 m = 3,2808 ft → → 1 ft = 0,3048 m1 ft = 0,3048 m
1 ft1 ft33 = 0,028317 m = 0,028317 m33 → 1 m → 1 m33 = = 35,315 ft35,315 ft33
1 lbf = 4,4482 N 1 lbf = 4,4482 N → → 1 N = 0,22481 1 N = 0,22481 lbflbf
T(T(ooR) = 1,8 T (K) R) = 1,8 T (K)
T(T(ooC) = T(K) – 273,15C) = T(K) – 273,15
T(T(ooF) = T(F) = T(ooR) – 459,67R) – 459,67
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Volume específico
• Utilizando o conceito de meio contínuo, ou seja, a hipótese de que a matéria é uniformemente distribuída ao longo de uma região, tem-se:
'limV V
m
V
1
Massa específica, massa por unidade de volume [kg/m³]
Menor volume para o qualvale a hipótese do contínuo
Volume específico, volume por unidade de massa [m³/kg]
M Volume ocupado por um kmolda substância [m³/kmol] é oVolume molarVolume molar
Peso molecular dasubstância [kg/kmol]
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Pressão
• Com a hipótese do meio contínuo, considera-se uma pequena área A. O fluído de um dos lados desta área exerce uma força compressiva. E o do outro
lado exerce uma força igual. Assim tem-se:
'lim normal
A A
Fp
A
Pressão1 pascal = 1 N/m²1 KPa = 10³ N/m²1 bar = 105 N/m²1 MPa = 106 N/m²
1 atm = 1,01325x105 N/m²
Força de compressão
Menor área para a qualvale a hipótese do contínuo
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )atm
atm
p manomética p abs p abs
p vácuo p abs p abs
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Medindo Pressão
Manômetro
Sensor Piezoelétrico
Tubo Bourdon
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Pressão Absoluta e Relativa
• Os dispositivos freqüentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo de medida.
• A magnitude dessa diferença é chamada pressão manométrica ou pressão de vácuo.
• P(manométrica) = P(absoluta) – Patm (absoluta)
• P(vácuo) = Patm (absoluta) – P(absoluta)
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Conceitos de temperaturaConceitos de temperatura
• Imagine dois corpos um mais quente que o outro, pode-se então definir:
– Interação térmica, quando os dois corpos trocam calor;– Equilíbrio térmico, quando não há troca de calor;– Se dois corpos estão em equilíbrio, logo eles possuem a
mesma temperatura;– Processo adiabático, quando o processo é isolado e não
interage com suas vizinhanças;– Processo isotérmico, quando o processo ocorre a
temperatura constante.
CalorCalor
Calor
Temperatura
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Medindo TemperaturaMedindo Temperatura
• A lei zero da termodinâmica diz que se dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si.
• Este terceiro corpo é usualmente um termômetro, que utiliza uma propriedade termométrica para medir a temperatura de um dado corpo.
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TermômetrosTermômetros
Termômetrode gás
Termopar
Termômetrode bulbo
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Escalas de temperatura
• As escalas são definidas por um valor numérico associado a um ponto fixo padrão;
• A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da água como padrão fixo;
• O ponto triplo da água é 273,16 kelvins, e o intervalo entre o ponto de gelo e o ponto de vapor d’água 373,15 kelvins é 100 K;
• A escala de gás é derivada destes conceitos, e leva em consideração a pressão do gás de um termômetro de gás, conforme a relação:
273,16limtp
pT
p
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Escala CelsiusEscala Celsius
( ) ( ) 273,15oT C T K
( ) ( )oT C T K
273,15 0,01
0 273,15
o
o
K C
K C
0,00oC
100,00oC
Ponto de solidificação
Temperatura de vapor
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Escala Rankine e Fahrenheit
( ) 1,8 ( )oT R T K
( ) ( ) 459,67o oT F T R
( ) 1,8 ( ) 32o oT F T C
Escala Rankine
Escala Fahrenheit
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Comparação das Escalas
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Projeto de Engenharia e Análise
• Um projeto de engenharia é um processo de tomada de decisão, que considera inúmeros fatores condicionados para se resolver um problema, ou atender a uma necessidade ou oportunidade;
• Para se realizar uma análise termodinâmica é preciso a definição do sistema e das interações com suas vizinhanças. Também é preciso criar um modelo de engenharia, que é uma representação simplificada do problema.
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Metodologia para solução de problemas
• DADO : Enuncie de forma concisa em suas próprias palavras o que se conhece;
• PEDE-SE : Enuncie concisamente em suas próprias palavras o que deve ser determinado;
• DIAGRAMAS E DADOS FORNECIDOS : Desenho um esboço do problema. Veja se é um sistema fechado ou volume de controle, identifique as fronteiras. Liste todos os valores fornecidos e antecipe alguns que podem ser necessários;
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Metodologia para solução de problemas
• HIPÓTESES : Liste todas as hipóteses simplificadoras e idealizações feitas a fim de tornar o problema viável;
• ANÁLISE : Trabalhe o máximo possível com as equações antes de inserir os dados numéricos. Identifique as tabelas, gráficos ou equações para as propriedades que forneçam os valores desejados. Verifique cuidadosamente se o sistema de unidades é consistente. Finalmente pondere se os valores finais e sinais algébricos são razoáveis.
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Referências
• MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.
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