31/7/2015 prof. luciano caldeira vilanova 1 sistemas tÉrmicos curso superior de tecnologia em...

27/04/23Prof. Luciano Caldeira Vilanova

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SISTEMAS TÉRMICOSSISTEMAS TÉRMICOSCurso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica

Capítulo 2 Conceitos sobre sistemas

Objetivos Apresentar conceitos fundamentais e definições

que serão usadas no estudo da termodinâmica:– Utilização da termodinâmica– Definição de sistemas– Comportamento de sistemas– Massa, comprimento, tempo e força– Volume específico e pressão– Temperatura


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Introdução Introdução Termodinâmica Origem grega:

* therme: calor * dynamis: força

Visão antiga: Capacidade de corpos quentes produzirem trabalho

Visão atual: Relações de energia e propriedades da matéria

Interações de um determinado sistema com a sua vizinhança


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Utilização da TermodinâmicaUtilização da TermodinâmicaMotores de combustão internaCompressores e bombasSistemas de ventilação e condicionamento

de arSistemas de resfriamento diversosProdução de energia elétricaBiomedicina


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Definindo SistemasDefinindo Sistemas Em análises de engenharia é preciso definir

precisamente o que será estudado O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar Um motor, uma refinaria, um refrigerador, um

molde de injeção A quantidade e a composição de matéria de um

sistema pode ser fixa ou variável (fluxo de matéria e reações químicas)

A forma do sistema pode mudar com o tempo durante o estudo


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Sistema, vizinhança e fronteiraSistema, vizinhança e fronteiraTudo o que não faz parte do sistema em

estudo, é parte da vizinhançaO sistema é diferenciado da vizinhança

pela fronteiraA fronteira pode estar em repouso ou em

movimentoA escolha da fronteira define o sistema


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sistema

fronteira

vizinhança


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Tipos de sistemasTipos de sistemasSistema fechado (massa de controle)Sistema fechado isoladoVolume de controle (sistema aberto)Superfície de controle


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Sistema Fechado Sistema Fechado (massa de controle)(massa de controle)

Definido quando uma certa quantia de matéria está em estudo.

Contém sempre a mesma quantidade de matéria

Não pode ocorrer fluxo de massa pela fronteira


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Sistema fechado isoladoSistema fechado isoladoQuando o sistema não interage de forma

alguma com a vizinhançaNão existe troca de massa ou de calor ou

outra manifestação de energiaCaso especial de sistema fechado


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Volume de Controle Volume de Controle (sistema aberto)(sistema aberto)

O sistema é uma determinada região do espaço por onde a massa escoa

Ocorre fluxo de massa pela fronteira


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Superfície de controleSuperfície de controleÉ o nome dado a fronteira, quando utiliza-

se os termos massa de controle e volume de controle


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Escolhendo a fronteiraEscolhendo a fronteira A escolha da

fronteira é feita levando-se em consideração:– O que é conhecido

acerca de um possível sistema;

– O objetivo da análise.


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Comportamento dos sistemasComportamento dos sistemasVisão macroscópica e microscópicaPropriedade, estado e processoPropriedades intensivas e extensivasFase e substância puraEquilíbrioProcessos reais e em quase-equilíbrio


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Visão macroscópica e Visão macroscópica e microscópica da termodinâmica microscópica da termodinâmica Termodinâmica clássica

→ visão macroscópicaPreocupação com o comportamento global

do sistemaTermodinâmica estatística

→ visão microscópicaPreocupação com a estrutura da matéria


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PropriedadePropriedadeUma propriedade é uma característica

macroscópica de um sistema para a qual pode-se atribuir um valor numérico em um dado instante sem conhecer a história do sistema

Ex: massa, volume, energia, pressão e temperatura.


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EstadoEstadoÉ a condição de um sistema descrito pelas

suas propriedades em um determinado instante.

Pode ser definido por um sub-conjunto de propriedades. Todas as outras propriedades são definidas a partir destas.

EstadoEstado


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ProcessoProcessoÉ a mudança do um estado do sistema para

outro no tempoA mudança de estado se verifica pela

variação de uma ou mais propriedadesQuando nenhuma propriedade varia com o

tempo (não há mudança de estado) o sistema é dito em

REGIME PERMANENTE

ProcessoProcesso


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Ciclo termodinâmicoCiclo termodinâmicoÉ uma seqüência de processos onde o

sistema inicia e termina no mesmo estado.As propriedades apresentam os mesmos

valores iniciais ao final do ciclo.O sistema não apresenta variação líquida

de estado ao longo do ciclo.

Ciclo TermodinâmicoCiclo Termodinâmico


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Propriedades extensivasPropriedades extensivasQuando o valor global da propriedade para

o sistema é a soma das partes para o qual o sistema é dividido.

Variam no máximo com o tempoEx: massa e volume


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Propriedades IntensivasPropriedades Intensivas Quando o valor da propriedade é

independente do tamanho do sistema. Podem variar em função do local no

sistema e com o tempo Ex: volume específico, pressão e

temperatura


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Fase e substância puraFase e substância puraFase refere-se a uma quantidade de

matéria que é homogênea em composição química e em estrutura física (líquido, sólido, vapor ou gás)

Um sistema pode possuir uma ou mais fases


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EquilíbrioEquilíbrioMecânicoTérmicoQuímicoDe Fase


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Equilíbrio Equilíbrio Um sistema isolado da vizinhança estará em

estado de equilíbrio se não houverem mudanças significativas nas suas propriedades com o tempo

A temperatura e a pressão serão uniformes ao longo do sistema, desde que o efeito da gravidade não seja significativo (para a pressão)

As fases não devem possuir qualquer tendência de mudança de estado para o sistema entrar em equilíbrio


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Processos Reais e em quase-Processos Reais e em quase-equilíbrioequilíbrioPor simplicidade consideraremos que

quando o sistema passa por um processo real do estado 1→2, então todos os estados intermediários são estados de quase- equilíbrio, ou seja, o desvio do equilíbrio termodinâmico do sistema é no máximo infinitesimal.


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ResumoResumoSistemas termodinâmicos, tipos de

sistemas, propriedades extensivas e intensivas, estado, processos, fases e substâncias puras, equilíbrio e processo em quase-equilíbrio

Exercícios (numerá-los)

Exemplo 2.1 Um gerador eólico turboelétrico é montado no

topo de uma torre. A eletricidade é gerada à medida que o vento incide constantemente sobre as pás da turbina. A saída elétrica do gerador alimenta uma bateria.

Considerando apenas o gerador eólico como sistema, identifique as posições da fronteira onde ocorre interação com a vizinhança. Descreva as mudanças que ocorrem no sistema com o tempo.

Repita a análise para um sistema que inclui somente a bateria.

Exercício 2Observando-se a figura abaixo, identifique

os locais onde se situam as fronteiras do sistema que estabelecem interações com a vizinhança.

Exercício 3 Conforme ilustrado na figura abaixo, a água

circula entre um tanque de estocagem e um coletor solar. A água aquecida no tanque é utilizada para fins domésticos. Considerando o coletor solar como um sistema, identifique as posições nas fronteiras onde este interage com as vizinhanças e descreva o que acontece no interior do sistema. Repita a análise para um sistema que inclua o tanque de estocagem e toda a tubulação.

Exercício 4 Conforme ilustrado na figura abaixo, o vapor

escoa por uma válvula conectada em série a uma turbina. A turbina aciona um gerador elétrico. Considerando a válvula e a turbina como um sistema, identifique as posições nas fronteiras onde o sistema interage com suas vizinhanças e descreve o que acontece no interior do mesmo. Repita a análise para um sistema que inclua o gerador.

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