Capítulo 1 - Fundamentos da Termodinâmica

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Universidade Federal de Itajub Prof. Dr. Eraldo Cruz dos Santos FUNDAMENTOS DA TERMODINMICA FENMENOS DE TRANSPORTE - Termodinmica eraldo@unifei.edu.br Eraldo Cruz dos Santos19/03/20132 TPICOS DA APRESENTAO CONCEITOS FUNDAMENTAIS; FUNDAMENTOS DA TERMODINMICA;

ESCALAS TERMOMTRICAS; PRESSO; CALOR E TRABALHO; SISTEMA DE UNIDADES; EXERCCIOS; Eraldo Cruz dos Santos19/03/20133 TERMODINMICA Termodinmica a cincia que trata: Das propriedades dos fluidos Termodinmicos; Das caractersticas dos sistemas e Do calor e do trabalho; Eraldo Cruz dos Santos19/03/20134 FUNDAMENTOS DA TERMODINMICA Aplicaes da TermodinmicaEraldo Cruz dos Santos19/03/20135 Um sistema fechado aquele que no troca massa com a vizinhana, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema FechadoSISTEMAS TRMICOS Um sistema trmico certa massa delimitada por uma fronteira.Vizinhana Eraldo Cruz dos Santos19/03/20136 Sistema Aberto ou Volume de Controle SISTEMAS TRMICOS Um sistema isolado aquele queno troca energia (fluxo de calor ou trabalho) nem massa com a sua vizinhana. Vizinhana Eraldo Cruz dos Santos19/03/20137 Exemplos de Sistema Trmico ou Sistema FechadoSISTEMAS TRMICOS E VOLUME DE CONTROLE Sistema Fechado Volume de Controle Eraldo Cruz dos Santos19/03/20138 Sistema Trmico ou Sistema FechadoSISTEMA E VOLUME DE CONTROLE Volume de Controle Eraldo Cruz dos Santos19/03/20139 Estado Propriedades acondiodeumsistema,descrito,medidoouespecificado pelas propriedades independente.Socaractersticasmacroscpicasdeumsistema,ou seja,qualquergrandezaquedependedoestadodosistemae independedomeioqueosistemaalcanarqueleestado. Algumas das mais familiares so: Temperatura; Presso; Massa especfica Outras. ESTADO E PROPRIEDADES Eraldo Cruz dos Santos19/03/201310 Propriedade Intensiva: Umapropriedadeintensivaindependentedamassado sistema,porexemplo,Presso,Temperatura,Viscosidade, Velocidade, etc. Propriedade Extensiva: Umapropriedadeextensivadependedamassado sistemaevariadiretamentecomela.Exemplo:Massa,Volume total (m3), todos os tipos de Energia. Aspropriedadesextensivasdivididaspelamassado sistemasopropriedadesintensivas,taiscomooVolume especfico, Entalpia especfica. PROPRIEDADES DE UMA SUBSTNCIA Eraldo Cruz dos Santos19/03/201311 PROPRIEDADE DE UMA SUBSTNCIA T; p; m; v; V; A ... T; p; V; m; v; V; Eraldo Cruz dos Santos19/03/201312 Propriedade Especfica: Umapropriedadeespecficadeumadadasubstncia obtidadividindo-seumapropriedadeextensivapelamassada substnciacontidanosistema.Umapropriedadeespecfica tambm uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo: PROPRIEDADE DE UMA SUBSTNCIA v1= =mVVolume especfico (v): Energia interna especfica (u): mUu =Massa especfica (m): dV mV =}Eraldo Cruz dos Santos19/03/201313 Quandoumsistemaestemequilbriomecnico (mesmapresso),qumicoetrmico(mesmatemperatura em todo o sistema), o sistema considerado em equilbrio termodinmico sendo que, a temperatura e a presso so considerados como propriedade do sistema. Equilbrio Termodinmico Simulao de Equilbrio Termodinmico Eraldo Cruz dos Santos19/03/201314 Processo: ocaminhodefinidopelasucessodeestadosatravs dos quais o sistema passa, chamado de processo.PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Eraldo Cruz dos Santos19/03/201315 PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS ProcessoQuase-EstticoEsteprocessodefinidocomoum processonoqualodesviodoestadodeequilbriotermodinmicode ordeminfinitesimal.Portanto,todososestadospelosquaisosistema passaduranteoprocessopodemserconsideradoscomoestadosde equilbrio. Fase e Substncia Puraaplica-seaquantidadedematriaque homognea tanto na composio qumica como em sua estrutura fsica. Entende-sehomogeneidadenaestruturafsicaquandoamatria slida, lquida ou gasosa. EstadoMortoQualquerdesequilbriocomrelaoaomeio ambiente,sejadepresso,temperatura,composioqumica, velocidadeouelevao,apresenta-secomoumaoportunidadede desenvolver trabalho.Eraldo Cruz dos Santos19/03/201316 Processos Quase Estticos PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Eraldo Cruz dos Santos19/03/201317 PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Caminho descritopelo sistema na transformao. p1 V1 T1 U1 p2 V2 T2 U2 ProcessosDurante a transformao IsotrmicoTemperatura invarivel (Constante) IsobricoPresso invarivel (Constante) Isovolumtrico, Isocrico, Isomtrico Volume constante Adiabtico nulaa transfernciade calor com a vizinhana. IsoentalpicoEntalpia invarivel (Constante) IsoentrpicoEntropia invarivel (Constante) Estado 2 Estado 1 Eraldo Cruz dos Santos19/03/201318 PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Transformao p1 V1 T1 U1 p2 V2 T2 U2 Estado 1 Estado 2 Transformao Variveis de estado Variveis de estado Estado 2Estado 1 Eraldo Cruz dos Santos19/03/201319 Ciclo Termodinmico Quandoumsistema(substncia),emumdadoestado inicial,passaporcertonmerodemudanadeestados (processos) e finalmente retorna ao seu estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinmico. PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Estado 1Estado 2 p1;T1; V1; m1; ... p2;T2; V2; m2; ... Eraldo Cruz dos Santos19/03/201320 Escalas de TemperaturaPROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Escalas de Medio Celsius, Fahrenheit Escalas Absolutas Kelvin, Rankine Eraldo Cruz dos Santos19/03/201321 Lei Zero da Termodinmica PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Se A e B so dois corpos em equilbrio trmico com um terceiro corpo C, ento A e B esto em equilbrio trmico um com o outro, ou seja, a temperatura desses sistemas a mesma. Eraldo Cruz dos Santos19/03/201322 Escala de Temperatura1 - Kelvin e Celsius: T(K) = 273,16 + T(C) 2 - Rankine e Kelvin:T(R) = 1,8 . T(K) 3 - Fahrenheit e Rankine:T (F) = T(R) - 459,67 4 - Fahrenheit e Celsius: T (F) = 1,8 . T(C) + 32 PROCESSOS, TRANSFORMAES E CICLOS Eraldo Cruz dos Santos19/03/201323 Escreva a relao entre graus Celsius [C] e Fahrenheit [F]. EXEMPLO 1.1 Soluo: Interpolando linearmente as escalas entre a refernciadegelofundenteeareferncia de vaporizao da gua, tem-se: 32 212320 1000= F Co o) 32 F (95Co o =Eraldo Cruz dos Santos19/03/201324 Termmetro Digital Termmetro Infravermelho Medidores de Temperatura Termmetro Convencional Termmetro de Gs de volume constante Eraldo Cruz dos Santos19/03/201325 Escala de Gs Escala de Temperatura de Gs Escala Kelvin Temperatura do banho o uma constante arbitrria p T =otpp 16 , 273= o||.|

\| =tpppT 16 , 273Eraldo Cruz dos Santos19/03/201326 Conceito de Presso AFpNormalA Aoo='o olimCONCEITOS FUNDAMENTAIS - Presso Eraldo Cruz dos Santos19/03/201327 Presso Absoluta e Relativa Eraldo Cruz dos Santos19/03/201328 1 [atm] = 10332,27 [kgf/cm] 1 [atm] = 760 [mmHg] = 101,325 [kPa]; 1 atm = 1,013250 bar; 1 bar = 105 N/m2 (Pa); 1 bar = 0,9869 atm; 1 bar = 100 kilopascals (kPa) Presso Absoluta e Relativa pabs = patm+pm pm = pabs - patm

Eraldo Cruz dos Santos19/03/201329 g h h p = =PiezmetroEsquemade um manmetro em U Manmetro do tipo BourdonMedidores de Presso Sensor de presso g h h p patm = = Eraldo Cruz dos Santos19/03/201330 Um manmetro instalado em uma tubulao de vapor registraapressode50kPa.Seapressoatmosfrica localde101,325kPa,determineapressoabsoluta correspondente. EXEMPLO 1.2 Soluo:kPa 151,325 50 101,325 pefetiva atm abs= + = + = p pEraldo Cruz dos Santos19/03/201331 Definio de Calor e Trabalho Calor:

definidocomosendoocaminhopeloqualaenergia transferidaatravsdafronteiradeumsistemanumadada temperatura,aumoutrosistema(oumeio)numatemperatura inferior, em virtude da diferena de temperatura entre os dois sistemas. Trabalho:

Dopontodevistatermodinmico,otrabalho executado por um sistema, se o nico efeito sobre o meio (tudo externo ao sistema) puder ser o levantamento de um peso. Eraldo Cruz dos Santos19/03/201332 Definio de Calor e Trabalho Exemplo de Sistemas Realizando TrabalhoEraldo Cruz dos Santos19/03/201333 Definio de Calor e Trabalho Trabalhodx F W = o1 [J] = 1 [N . m] Trabalho de Expanso dV p W = odx A p dx F W = = otWWoo=1 [W] = 1 [J/s] Potncia Eraldo Cruz dos Santos19/03/201334 Definio de Calor e Trabalho }o =212 1Q QCalor 1 [J] = 1 [N . m] Comparao entre Calor e TrabalhoEraldo Cruz dos Santos19/03/201335 Definio de Calor e TrabalhoEraldo Cruz dos Santos19/03/201336 Definio de Calor e Trabalho Eraldo Cruz dos Santos19/03/201337 Definio de Calor e Trabalho Eraldo Cruz dos Santos19/03/201338 Converso de sinais de Calor e Trabalho Eraldo Cruz dos Santos19/03/201339 Unidades Geomtricas e Mecnicas SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES GrandezasNomeSmboloDefinioObservao Comprimentometro m Comprimento igual a 1.650.763,73 docomprimentodeonda,novcuo daradiaocorrespondente transio entre os nveis 2p10 e 5d5 do tomo de Criptnio 86. Unidadedebasedefinio ratificada pela 11. CGMP/1960. Massaquilograma kg Massadoprottipointernacional do quilograma 1)UnidadeBasedefinio ramificadapela3. CGPM/1901; 2) Esseprottipoconservado noBereauInternacionalde pesosemedidas,emSvres, Frana. Temposegundo s Duraode9.192.931.700 perodosdaradiao correspondentetransioentre osdoisnveishiperfinosdoestado fundamental do tomo de Csio 133. Unidadedebasedefinio ratificada pela 13.CGPM/1967. Temperatura Termodinamica Kelvin K Frao1/273,16datemperatura termodinmicadopontotrpliceda gua. Kelvinumaunidadedebase definioratificadapela13. CGPM/1967. Eraldo Cruz dos Santos19/03/201340 Grandezas e Unidades Fundamentais SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES GRANDEZAS FUNDAMENTAIS UNIDADES FUNDAMENTAIS NOMESMBOLO Comprimentometrom Massaquilogramakg Temposegundos TemperaturaKelvinK Eraldo Cruz dos Santos19/03/201341 Grandezas e Unidades Derivadas SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES GRANDEZA DERIVADA EQUAO FSICA SIMBOLOGIA UNIDADE DERIVADA Fora N (Newton) Energia J (Joule) Trabalho J (Joule) Calor J (Joule) Potncia W(Watt) Presso Pa (Pascal) Volume especfico ----- Massa especfica ----- Eraldo Cruz dos Santos19/03/201342 Grandezas e Unidades Fundamentais SISTEMA TRMICO DE UNIDADES GRANDEZAS FUNDAMENTAIS UNIDADES FUNDAMENTAIS NOMESMBOLO Comprimentometrom ForaQuilograma forakgf Temposegundos TemperaturaKelvinK Eraldo Cruz dos Santos19/03/201343 Grandezas e Unidades Derivadas SISTEMA TRMICO DE UNIDADES GRANDEZA DERIVADA EQUAO FSICASIMBOLOGIA UNIDADE DERIVADA MassaUTM EnergiaKilogramametro TrabalhoKilogramametro CalorKilocaloria Potnciakilogramametro/s Presso----- Volume especfico ----- Peso especfico----- Eraldo Cruz dos Santos19/03/201344 Fatores de Converso de Unidades COMPRIMENTO 1 m 3,281 ft = 39,37 in 1 cm = 0,3937 in 1 km = 0,6214 in 1 ft = 0,3048 m 1 in = 0,0254 m 1 in = 5280 ft = 1609,3 REA 1 m2 = 10,76 ft2 1 cm2 = 0,1550 in2 1 ft2 = 0,0929 m2 1 in2 = 645,16 mm2 VOLUME 1 m3= 35,315 ft3 1 cm3 = 0,06102 in3 1 l = 0,001 m3 = 0,035315 ft3 1 gal = 231 in3 1 ft3 = 0,028 317 m3 1 in3 = 1.6387 x 10-5 m3 1 gal = 0,0037854 m3 MASSA 1 lg = 2,20462 lbm 1 ton = 1000 kg 1 lbm = 0,453592 kg 1 slug = 14,594 kg 1 ton = 2000 lbm Eraldo Cruz dos Santos19/03/201345 Fatores de Converso de Unidades PRESSO 1 Pa = 1 N/m2 1 kPa = 0,145038 psi 1 in Hg = 0,9412 psi 1 mm Hg = 0,1333 kPa 1 psi = 6,894757 kPa 1 inHg = 3,387 kPa 1 bar = 100 kPa 1atm=101,325kPa=14,696psi= 760 mmHg = 29,92 inHg FORA 1 N = 1 kg m/s2 1 N = 0,224809 lbf 1 lbf = 4,448222 N 1 dina = 1 x 10-5 N ENERGIA 1 Btu= 778,169 ft lbf 1J = 9,478 x 10-4 Btu 1 cal = 4,1840 J 1 Btu = 1,055056 kJ 1 ft lbf = 1,3558 J 1 IT cal = 4,1868 J Eraldo Cruz dos Santos19/03/201346 Fatores de Converso de Unidades ENERGIA ESPECFICA 1 kJ/kg = 0,42992 Btu/lbm 1 kJ/kg mol = 0,4299 Btu/lbmol 1 Btu/lbm = 2,326 kJ/kg 1 Btu/lbmol = 2,326 kJ/kg mol ENTROPIAESPECFICA,CALORESPECFICO,CONSTANTEDO GS 1 kJ/kg K = 0,2388 Btu/lbm R 1 kJ/kg mol K = 0,2388 Btu/lbmol R 1 Btu/lbmR = 4,1868 kJ/kg K 1 Btu/lbmolR = 4,1868 kJ/kg K MASSA ESPECFICA 1 kg/m3 = 0,062428 lbm/ft31 lbm/ft3 = 16,0185 kg/m3 VOLUME ESPECFICO 1 m3/kg = 16,018 ft3/lbm1 ft3/lbm = 0,062428 m3/kg Eraldo Cruz dos Santos19/03/201347 Fatores de Converso de Unidades POTNCIA 1 W = 1 J/s 1 kW = 1,3410 hp = 3412 Btu/h Btu = 1,055056 kW 1hp=550ftlbf/s=2545Btu= 745,7 W VELOCIDADE 1 m/s = 3,281 ft/s =1 ft/s = 0,3048 m/s 1 mph = 1,467 ft/s = 0,4470 m/s TEMPERATURA T[C] = (5/9) . (T[F] - 32) T[C] = T[K] 273,15 T[K]=(5/9) . T[R] AT[K] = 1,8 . AT[R] AT[K] = AT[C] T[F] = (9/5) . T[C] + 32 T[F] = T[R] 459,67 AT[R] = AT[F] Eraldo Cruz dos Santos19/03/201348 Definir o sistema; Identificar as interaes com o meio externo; Deve-seseter ateno sleis fsicas easrelaes quepermitirodescreverocomportamentodo sistema; Amaioriadasanlisesusamumaoumaisdetrs leis bsicas, as quais so: Conservao da massa; Conservao da energia; Segunda Lei da Termodinmica. Metodologia para Resolver Problemas de Termodinmica Eraldo Cruz dos Santos19/03/201349 Paramelhororganizarasoluodeproblemas recomenda-se utilizar o seguinte elementos: O que conhecido(escreverasinformaesfornecidas paraadefiniodosistema,buscandoleroquefoi fornecido com calma, ateno e com cuidado); O que deve ser determinado (buscar entender, de forma resumida, qual a soluo a ser fornecida para o problema); Elaborar um esquema de dados (visualizar as relaes do meioexternocomosistema,atravsdecroquis, esquemas,desenhos,diagramasdaspropriedades,etc., ondesedevedesenharosistemacomtodasas grandezas/propriedades envolvidas, definindo a fronteira do sistema, os estados, seus processos, ciclos, etc.); Metodologia para Resolver Problemas de Termodinmica Eraldo Cruz dos Santos19/03/201350 Realizar as suposies (quais simplificaes so aceitas para a soluo do problema e as formas de model-lo); Analisar o problema (verificaroselementosnecessriospara a soluo do problema,tais como: equaes, grficos, tabelas, diagramas adicionais, etc., que forneam a soluo desejada. E importanteavaliaramagnitudedoproblema,ouseja,quaisas unidadesdasgrandezasenvolvidas,afimdequeasmesmas sejam compatveis. Realizar os clculos e colocar as grandezas de cada valor obtido); Calcular o que se pede:substituirosvalorestendoo cuidado de analisar as grandezas das propriedades; ColocarosComentriossobreoproblema(discutiros resultadosapresentandooquefoiaprendido;osprincipais aspectos dasoluo e realizar as verificaes) Metodologia para Resolver Problemas de Termodinmica Eraldo Cruz dos Santos19/03/201351 Esquema Simplificado Metodologia para Resolver Problemas de Termodinmica Etapa 1 Enunciado do Problema Etapa 2 O que deve ser determinado Etapa 3 Elaborar de esquemas e croquis dos dados (realizar as transformaes de unidades necessrias) Etapa 4 Elaborar as suposies, hipteses e aproximaes Etapa 5 Analisar o problema (aplicao das Leis da fsica e determinar as propriedades, seus estados e processos) Etapa 6 Realizar os clculos Etapa 7 Realizar os comentrios sobre o problema. Eraldo Cruz dos Santos19/03/201352 1. Umgscontidoemumcilindrocompistorealizauma expansoparaumarelaodepressovolumedadapor pVn=constante.Inicialmenteapressodosistema de 3(bar)eovolumede0,1(m).Nofinaldoprocessode expanso o volume de 0,2 (m). Determinar o trabalho realizado pelo sistema em (kJ), se: (a) n = 1,5;(b) n = 1,0;(c) n = 0. EXERCCIOS Eraldo Cruz dos Santos19/03/201353 Soluo: Resoluo do Exerccio 1 1. Etapa: Dado/Conhecido:umgsemumconjuntocilindroepisto sofre um processo para o qual [p . Vn = Constante]; 2. Etapa: Determina...

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