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Termodinâmica Alguns conceitos e definições EME-205

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Apresentao do PowerPoint

Termodinmica

Alguns conceitos e definiesEME-205No incio, ocupou-se do estudo dos processos que permitiam converter calor em trabalhocalorfora,movimentoTERMODINMICA

EME-205Termodinmica ramo da Fsicaque tem por objeto de estudo:

os processos em que h transferncia de energia e/ou transformaes de energiaem sistemas macroscpicos,em termos de variveis macroscpicas

EME-205Sistemas macroscpicos contm um grande nmero de partculas constituintes (tomos, molculas, ...)

n de AvogadroEME-205Grandezas macroscpicas mensurveis e que servem para caracterizar o sistema. (Ex: temperatura (t), presso (P), volume (V), magnetizao de um man (M), rea superficial de um lquido (S), tenso numa corda (T), etc.)EME-205Presso: fora por unidade de rea independente da orientao da superfcie foras de presso sempre perpendiculares superfcie

PressoEME-205Unidades de PressoNo Sistema Internacional de Unidades SI a unidade de presso o Pascal (Pa)

As unidades inglesas de uso corrente para a presso so Libra-fora por p quadrado (lbf/ft2) e Libra-fora por polegada quadrada (lbf/in2)

Obs.:

EME-2057Massa EspecficaMassa especfica definida como a relao entre massa e volume. A massa especfica em um ponto definida como:

Volume Especfico o inverso da massa especfica

EME-205TemperaturaInterpretao microscpica medida da energia cintica mdia dos tomos ou molculas que constituem o sistema.(gases: energia cintica de translao; slidos: energia cintica de vibrao)

EME-205TemperaturaDefinio operacional a grandeza que se mede com um termmetro.A temperatura lida no termmetro ao fimde um certo tempo (tempo de relaxao), quando A e B atingirem o equilbrio trmico.

EME-205Relao entre escalas de temperatura Celsius e KelvinEscala Kelvin:

Escala Celsius: EME-205Formalismo termodinmico pode ser aplicado aos mais diversos sistemas. Exemplos so:

gs, lquido ou slido num recipiente;

corda esticada ou barra metlica;

membrana esticada;

circuito elctrico;

man num campo magntico.EME-205Energia

Capacidade de produzir um efeito

Pode ser acumulada num sistemaPode ser transferida (calor)EME-205Exemplo: lquido num recipiente

Energia potencial gravtica,mghEnergia cintica de rotaodas psEnergia interna dasmolculas de guaEME-205SistematermodinmicoUma certa poro de matria, que pretendemos estudar, suficientemente extensa para poder ser descrita por parmetros macroscpicos. EME-205Vizinhanado sistemaAquilo que exterior ao sistema e com o qual o sistema pode, eventualmente, trocar energia e/ou matria.EME-205FronteiraSuperfcie fechada, real (uma parede, uma membrana, etc) ou abstracta (imaginada por ns), que separa o sistema da sua vizinhana.EME-205Exemplo: Gs contido num cilindro com uma parede mvel

Parede mvel (mbolo)Superfcie lateral do cilindroBase do cilindro++Fronteira: paredes dorecipienteSistema: gs num recipiente de parede mvelVizinhana: ar exterior ao recipienteEME-205SistemaisoladoNo troca energia nem matriacom a sua vizinhana.SistemafechadoNo troca matria com a suavizinhana (pode trocar energia).SistemaabertoTroca matria com a sua vizinhana.

Paredes mveis(contrrio: fixas)Permitem transferncia de energia na forma de trabalhomecnico.Paredes diatrmicas(contrrio: adiabticas)Permitem transferncia de energia na forma de calor.Paredes permeveis(contrrio: impermeveis)Permitem transferncia de matria.EME-205Sistema Isolado

Um sistema dito isolado quando no h fluxos de massa, calor ou trabalho pela sua fronteira.Sistema isoladoVizinhanaIsolamentoEME-205

VOLUME DE CONTROLE EME-205

TransformaoP1V1T1U1P2V2T2U2Estado 1Estado 2TransformaoVariveis de estadoVariveis de estadoESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTNCIAEME-205Estado termodinmico Condio em que se encontra a substncia, sendo caracterizado pelas suas propriedades.EME-205Variao ou mudana de estado: ocorre, quando o valor de pelo menos uma propriedade primitiva se altera.EME-205Estado de equilbrio termodinmicoEstado termodinmico caracterizado por um valor uniforme (o mesmo por todo o sistema) e estacionrio (no varia com o tempo) das variveis termodinmicas.EME-205Equilbrio trmicoValor uniforme da temperatura(contato trmico entre sub-sistemas)Equilbrio mecnicoValor uniforme da presso (nocaso de gases).Equilbrio qumicoValor uniforme das concentraesqumicas.EME-205Princpio ZeroSISTEMA CSISTEMA ASISTEMA BSISTEMA CSISTEMA ASISTEMA BDois sistemas (A e B) em equilbrio trmico com um terceiro sistema (C) esto tambm em equilbrio trmico um com o outro. Isto , verifica-se a propriedade transitiva da relao de equilbrio trmico.A temperatura a propriedade que comum a sistemas que se encontram em equilbrio trmico (mesma classe de equivalncia).EME-205PROPRIEDADES INTENSIVAS X EXTENSIVASINTENSIVA: temperatura, presso e massa especfica

EXTENSIVA: massa e volume total EME-205PROCESSOS

Retirada de pesos EME-205Processo termodinmicoTransformao de um estado de equilbrio do sistema noutro estado de equilbrio, por variao das propriedades termodinmi-cas do sistema.EME-205

Exemplo: Expanso/compresso de um gs idealEME-205Caminho descrito pelo sistema na transformao .ProcessosP1V1T1U1P2V2T2U2ProcessosDurante a transformaoIsotrmicotemperatura invarivelIsobricoPresso invarivelIsovolumtricovolume constanteAdiabtico nula a troca de calor com a vizinhana.EME-205ciclos

EME-205Ciclo: processo termodinmico cujos estados inicial e final so idnticos.EME-205Propriedades de uma substncia puraEME-205substncia puraCOMPOSIO QUMICA A MESMA EM TODAS AS FASES EME-205gua (fases - slida, lquida, e vapor)Mistura de gua lquida e vapor dguaDixido de Carbono (CO2)Nitrognio (N2)Misturas homogneas de gases, desde que no ocorra mudana de fases.Substncia Pura Exemplos EME-205ESTADO DE SUBSTNCIA PURA COMPRESSVEL SIMPLES. EME-205Definio de GsGs toda substancia que se encontra no estado gasoso, apresentando grande expansibilidade e compressibilidade

EME-205Mostrar como ao atingir o ponto crtico, independente da presso, impossvel fazer um gs mudar seu estado Fsico, a no ser que a sua temperatura seja alterada. Falar da distino entre vapor e gs.39Gs Perfeito (Gs Ideal) o que se encontra sob duas condies:

Inexistncia de Foras Intermoleculares que garantam a coeso de algum modo entre suas partculas, o que impossibilita sua mudana de estado Fsico

O Volume de suas Partculas ser desprezvel em relao ao Volume ocupado pelo espao entre elas.

EME-205Gs ideal: superfcie PvT Cada estado de equilbrio representado por um ponto na superfcie PvT e cada ponto na superfcie representa um estado de equilbrio possvel.

EME-205

Lei de Boyle-Mariotte:

(hiprboles equilteras)Leis de Gay-Lussac:

(rectas)Processo isotrmicoProcesso isocricoProcesso isobrico

EME-205EQUAES DE ESTADO PARA A FASE VAPOR DE UMA SUBSTNCIACOMPRESSVEL SIMPLES EME-205

EME-205Exemplos

1- Qual a massa de ar contida numa sala de 6m X 10m X 4 m se a presso 100 kPa e a temperatura 25C ? Admitir que o ar seja um gs perfeito.

2 Um tanque tem um volume de 0,5 m3 e contm 10 kg de um gs perfeito com peso molecular igual a 24. A temperatura de 25C. Qual a presso ? EME-205EQUILBRIO DE FASES VAPOR-LQUIDA-SLIDA NUMA SUBSTNCIA PURAEME-205

etapa P e T so constantes aumento de VolumeEME-205

A presso est acima da presso de saturao para a temperatura dada.Lquido comprimido(Subresfriado)EME-205

A presso a presso de saturao para a temperatura dadaLquido SaturadoEME-205

vaporAs duas fases coexistem nas mesmas presso e temperaturaMistura saturada de lquido e vaporEME-205Conceito de ttulo EME-205

A presso a presso de saturao para a temperatura dadaVapor SaturadoEME-205

A temperatura mais alta que a temperatura de saturao para a presso dadaVapor SuperaquecidoEME-205Processo de Mudana de FaseLquido comprimido no prestes a evaporarLquido saturado prestes a evaporarMistura saturada de lquido e vapor duas fasesVapor Saturado prestes para condensarVapor Superaquecido no prestes para condensarEME-205Linhas de pressoconstante

EME-205CONCEITO DE PONTO CRTICO

Estado de lquido saturado=Estado de vapor saturado

Nunca haver duas fases presenteEME-205Diagrama T-v 1Lquido comprimidoMistura Saturada2Vapor SuperaquecidoProcesso Isobrico P = 1 atm345vT, Co20100300P2 = Psat = 1 atmT2 = Tsat = 100 oCP4 = Psat = 1 atmT4 = Tsat = 100 oCP3 = Psat = 1 atmT3 = Tsat = 100 oCEME-205

Processos IsobricosDiagrama T-v (gua)Mudana de faseEME-205Pontos CrticosSubstnciaTc (K)(oC)Pc(bar)Ar133 (-140)37,7Butano425 (+152)38Propano370 (+97)42,7CO2304 (+31)73,9Hidrognio33,2 (-239,8)13CH4191 (-82)46,4N2126 (-147)33,9O2154 (-119)50,5gua647,3 (+374,3)220,9EME-205

Curva de VaporizaoCurva de SublimaoRegio da Fase SlidaRegio da Fase LquidaCurva de FusoPonto CrticoRegio de vapor superaquecidoPonto TriploPONTO TRIPLO EME-205CONCEITO DE PONTO TRIPLO

Estado no qual as trs fases podem coexistir em equilbrioEME-205Tabelas e propriedades termodinmicasEME-205Lquido comprimido - A presso est acima da presso de saturao para a temperatura dada.Vapor superaquecido - A temperatura mais alta que a temperatura de saturao para a presso dada

1 Bar=0,1 Megapascal [MPa]EME-205Exemplos:

1 - Calcule o volume especfico da mistura vapor e lquido, de gua a 200C e apresentando um ttulo igual a 70%.

2 Um vaso com 0,4 m3 de volume contm 2,0 kg de uma mistura de gua lquida e vapor em equilbrio a uma presso de 600 kPa. Calcular

O volume e a massa do lquidoO volume e a massa do vapor EME-205Exerccios

1 Verificar se a gua, em cada um dos estados abaixo, um lquido comprimido, um vapor superaquecido, ou uma mistura de lquido e vapor saturado: (18 MPa, 0,003 m3/kg); (1 MPa, 150C);(200C, 0,2 m3/kg); (10 kPa, 10C); (130C, 200 kPa); (70C, 1 m3/kg)

EME-205Exerccio proposto

Determine a fase, o ttulo (se aplicvel) e a propriedade faltante (p ou T) para as seguintes condies da gua:

T = 120C v = 0,5 m3/kgP = 100 kPa v = 1,6958 m3/kgP = 5,00 MPa v = 0,0010056 m3/kgT = 350 C v = 0,00800 m3/kg

EME-205Interpolao Simples

Vamos supor que seja necessrio conhecer o volume especfico da gua 198 C e ttulo 50%. Como a informao diz respeito ao ttulo, a concluso automtica que estamos lidando com mistura de lquido vapor. Para continuarmos, precisamos das informaes sobre os volumes especficos do lquido saturado e do vapor saturado seco naquela temperatura. Entretanto, consultando uma tabela como a abaixo, notamos que temos informaes na temperatura de 195 C e tambm 200 C, mas no a 198. Assim, deveremos proceder uma interpolao linear.

EME-205O primeiro passo montar a tabela:

O segundo passo fazer a interpolao:EME-205

EME-205Exerccio proposto

Calcule o volume especfico da gua para uma temperatura de 350C e presso 400 kPa.

Calcule o volume especfico da gua para umapresso de 940 kPa, e ttulo igual a 1.

Calcule o volume especfico da gua para uma presso de 500 kPa e temperatura de 30C. EME-20570