Apostila termodinamica

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  • APOSTILA DE FUNDAMENTOS DA

    TERMODINMICA

    Depto. de Engenharia Mecnica

    Universidade de Taubat UNITAU

    Prof. Dr. Fernando Porto

  • Pouco, porm bem feito. Carl Friedrich Gauss

    Deus est com aqueles que perseveram. Alcoro captulo VIII

    Memento mori Tertuliano (Quintus Septimius Florens Tertullianus) Apologeticus, captulo 33

    O soldado que no acredita na vitria no capaz de lutar por ela.

    IMPORTANTE

    Esta apostila abrange a totalidade do contedo da disciplina Fundamentos da Termodinmica, tal como

    ministrada nos cursos de engenharia ligados ao Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de

    Taubat, UNITAU.

    A apostila baseada em notas de aula, as quais apresentam resumidamente o contedo do livro texto

    indicado ao aluno para o acompanhamento da disciplina, Fundamentos da Termodinmica, de Richard E.

    Sonntag, Claus Borgnakke e Gordon J. Van Wylen, Editora Edgard Blcher Ltda.

    Em momento algum o aluno deve supor que a apostila se sobrepe ou transforma em desnecessrio

    o uso do livro texto. Ao contrrio, a funo desta somente facilitar ao aluno o uso do referido livro,

    continuando seu emprego imprescindvel a uma compreenso equilibrada e abrangente da disciplina.

    Prof. Dr. Fernando Porto

    Depto. Engenharia Mecnica UNITAU

    Janeiro de 2007

  • Captulo 1 Introduo

    Termodinmica Prof. Fernando Porto Depto. Mecnica - UNITAU

    1-1

    Fundamentos da

    TERMODINMICA

    Captulo 1 - INTRODUO

    1.1 Definio

    A Termodinmica a parte da Termologia (Fsica) que estuda os fenmenos relacionados com

    trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de converso de energia.

    Apesar de todos ns termos um sentimento do que energia, muito difcil elaborar uma

    definio precisa para ela. Na verdade a Fsica aceita a energia como conceito primitivo, sem

    definio, ou seja, apenas caracterizando-a.

    bastante conhecido o fato de que uma substncia constituda de um conjunto de partculas

    denominadas de molculas. As propriedades de uma substncia dependem, naturalmente, do

    comportamento destas partculas.

    A partir de uma viso macroscpica para o estudo do sistema, que no requer o conhecimento do

    comportamento individual destas partculas, desenvolveu-se a chamada termodinmica clssica.

    Ela permite abordar de uma maneira fcil e direta a soluo de problemas.

    Extrado de http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodinmica (disponvel em Janeiro de 2007)

    1.2 Por que Estudar Termodinmica?

    Na engenharia, a Termodinmica utilizada para a anlise de diversos processos que ocorrem

    em equipamentos industriais de grande importncia, tais como centrais termoeltricas,

    refrigeradores por compresso de vapor, motores a reao (motores a jato e foguetes),

    equipamentos de decomposio de ar, e muitos outros.

    Desta forma, o domnio da termodinmica essencial para que o engenheiro possa projetar estes

    equipamentos e sistemas com o objetivo de constru-los dentro do menor custo razovel e obter

    destes, em operao, a maior eficincia energtica possvel.

  • Captulo 2 Conceitos e Definies

    Termodinmica Prof. Fernando Porto Depto. Mecnica - UNITAU

    2-1

    Captulo 2 - CONCEITOS E DEFINIES

    2.1 O Sistema Termodinmico e o Volume de Controle

    Sistema termodinmico: (sistema fechado) uma quantidade de matria, com massa e

    identidade fixas, sobre a qual nossa ateno dirigida para o estudo. Tudo o que externo ao

    sistema denominado meio ou vizinhana. O sistema separado da vizinhana pelas

    fronteiras do sistema e essas fronteiras podem ser mveis ou fixas. Calor e trabalho podem

    cruzar a fronteira.

    Ex.: Considere o gs contido no cilindro mostrado na figura abaixo como sistema. Se o conjunto

    aquecido, a temperatura do gs aumentar e o mbolo se elevar. Quando o mbolo se eleva, a

    fronteira do sistema move. O calor e trabalho cruzam a fronteira do sistema durante esse

    processo, mas no a matria que compe o sistema.

    Sistema isolado: aquele que no influenciado, de forma alguma, pela vizinhana (ou seja,

    calor e trabalho no cruzam a fronteira do sistema).

    Volume de controle: (sistema aberto) um volume que permite um fluxo de massa atravs de

    uma fronteira, assim como o calor e o trabalho.

  • Captulo 2 Conceitos e Definies

    Termodinmica Prof. Fernando Porto Depto. Mecnica - UNITAU

    2-2

    Assim, um sistema definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa e um volume de

    controle especificado quando a anlise envolve fluxos de massa.

    2.2 Pontos de Vista Macroscpico e Microscpico

    Meio contnuo: Sob o ponto de vista macroscpico, ns sempre consideraremos volumes muito

    maiores que os moleculares e, desta forma, trataremos com sistemas que contm uma

    enormidade de molculas. Uma vez que no estamos interessados nos comportamentos

    individuais das molculas, desconsideraremos a ao de cada molcula e trataremos a

    substncia como contnua.

    2.3 Estado e Propriedades de uma Substncia

    Fase: definida como uma quantidade de matria totalmente homognea (fase lquida, slida ou

    gasosa). Quando mais de uma fase coexistem, estas se separam, entre si, por meio das

    fronteiras das fases.

    Estado: Em cada fase a substncia pode existir a vrias presses e temperaturas. O estado de

    uma fase pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscpicas observveis;

    algumas das mais familiares so: temperatura, presso e massa especfica.

    Propriedades: Cada uma das propriedades (temperatura, presso, massa) de uma substncia,

    num dado estado, apresenta somente um determinado valor e essas propriedades tem sempre o

    mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substncia chegou a ele,

    isto , independente do caminho (histria) pelo qual o sistema chegou condio (estado)

    considerada. As propriedades termodinmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as

    intensivas e as extensivas.

    Propriedade intensiva: independente da massa. Ex.: temperatura, presso.

    Propriedade extensiva: seu valor varia diretamente com a massa. Ex.: massa, volume.

    Assim, se uma quantidade de matria, num dado estado, dividida em duas partes iguais, cada

    parte apresentar o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valor das

    propriedades extensivas da massa original.

  • Captulo 2 Conceitos e Definies

    Termodinmica Prof. Fernando Porto Depto. Mecnica - UNITAU

    2-3

    Quando um sistema est em equilbrio em relao a todas as possveis mudanas de estado,

    dizemos que o sistema est em equilbrio termodinmico.

    2.4 Processos e Ciclos

    Processo: Quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema alterado, dizemos

    que ocorreu uma mudana de estado. O caminho definido pela sucesso de estados atravs dos

    quais o sistema percorre chamado de processo.

    Processo de quase-equilbrio: Consideremos o equilbrio do sistema mostrado abaixo quando

    ocorre uma mudana de estado. No instante em que o peso removido, o equilbrio mecnico

    deixa de existir, resultando no movimento do pisto para cima, at que o equilbrio mecnico seja

    restabelecido.

    Uma vez que as propriedades descrevem o estado de um sistema apenas quando ele est em

    equilbrio, como poderemos descrever os estados de um sistema durante um processo, se o

    processo real s ocorre quando no existe equilbrio?

    Um passo para respondermos a essa pergunta consiste na definio de um processo ideal,

    chamado de processo de quase-equilbrio. Um processo de quase-equilbrio aquele em que o

    desvio do equilbrio termodinmico infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa

    durante o processo podem ser considerados como estados de equilbrio.

    Muitos dos processos reais podem ser modelados, com boa preciso, como processos de quase-

    equilbrio. Se os pesos sobre o pisto so pequenos, e forem retirados um a um, o processo pode

    ser considerado como de quase-equilbrio.

  • Captulo 2 Conceitos e Definies

    Termodinmica Prof. Fernando Porto Depto. Mecnica - UNITAU

    2-4

    Processo de no-equilbrio: Quando o sistema no se encontra em equilbrio em nenhum

    instante durante a mudana de estado. Assim o sistema s pode ser descrito antes de ocorrer o

    processo e aps, quando o equilbrio restabelecido.

    Prefixo ISO: usado para caracterizar um processo que ocorre mantendo uma propriedade

    constante:

    processo isotrmico: processo a temperatura constante;

    processo isobrico: processo a presso constante;

    processo isomtrico: processo a volume constante.

    Ciclo termodinmico: quando um sistema, num dado estado inicial, passa por vrios

    processos e retorna ao estado inicial.

    Dessa forma, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam os mesmos valores iniciais.

    A gua que circula numa instalao termoeltrica a vapor executa um ciclo.

    ATENO:

    Ciclo mecnico: um motor de combusto interna de quatro tempos executa um ciclo mecnico a

    cada duas rotaes. Entretanto, o fluido de trabalho no percorre um ciclo termodinmico no

    motor, uma vez que o ar e o combustvel reagem e, transformados em produtos de combusto,

    so descarregados na atmosfera.

    Neste curso, o termo ciclo se referir a um ciclo trmico (termodinmico) a menos que se designe

    o contrrio.

    2.5 Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Fora

    Fora: O c