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Termodinâmica I

PARTE 1

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

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TERMODINÂMICA

Estuda a ENERGIA e suas transformações.

Fornece a base científica para a análise dos processos de conversão de energia

Permite verificar a eficiência do uso da energia: custo e fatores ambientais envolvidos no processo de conversão.

Permite entender da tendência futura energia - consumo e seu impacto sócio –

econômico. O estudo da termodinâmica é voltado a 2 formas principais de energia: CALOR e TRABALHO.

LEIS DA TERMODINÂMICA

São baseadas na experiência.

Lei zero: Descreve a possibilidade de definir a temperatura dos objetos.

1ª Lei: Princípio da Conservação de energia

2ª Lei: - Permite - descrever a direção dos processos - calcular a eficiência de equipamentos e ciclos termodinâmicos - verificar se é possível ou não a ocorrência de um processo.

3ª Lei: Se ocupa das propriedades da matéria a temperaturas muito baixas

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

1. SISTEMA Objeto de análise identificado para estudo das interações (trocas de energia e/ou matéria) com o meio externo.

- A composição da matéria dentro do sistema pode ser fixa ou variável. - A forma ou o volume do sistema não é necessariamente constante.

Vizinhança: Tudo externo ao sistema. Fronteira: Separa o sistema do meio externo ou vizinhança. Pode estar em repouso ou movimento.

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Qualquer análise termodinâmica começa com a seleção do sistema, fronteira e vizinhanças

2. TIPOS DE SISTEMAS a) Isolados: não trocam matéria ou energia com o meio externo. b) Fechados: Não trocam matéria, mas podem permutar energia. c) Abertos: Podem trocar matéria e energia com sistemas vizinhos.

gás

Embolo Móvel FronteiraMóvel

FronteiraImaginária

FronteiraRealQ

vizinhança

vizinhança

vizinhança

vizinhançagás

Embolo Móvel FronteiraMóvel

FronteiraImaginária

FronteiraRealQ

gás

Embolo Móvel FronteiraMóvel

FronteiraImaginária

FronteiraRealQ

vizinhança

vizinhança

vizinhança

vizinhança

Sistema

Fechado

m = constante

massa

energia SIM

NÃOSistema

Fechado

m = constante

massa

energia SIM

NÃO

Sistema Fechado

Volume de controle

Superfície de controle

massa SIM

. Energia SIM

Volume de controle

Superfície de controle

massa SIM

. Energia SIM

Sistema aberto.

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3. TRATAMENTO MACRO E MICROSCÓPICO Macroscópico(Termodinâmica Clássica):

� Relacionado ao comportamento ou efeitos totais ou médios de moléculas que compõe o sistema.

� Não interessam detalhes moleculares e estrutura atômica. Microscópico(Termodinâmica estatística):

� Quando se considera a natureza molecular e atômica da matéria.

� Para aplicações envolvendo laser, escoamento de gás a alta velocidade, cinética química, criogenia, cálculo de propriedades, etc.

4. PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS São características macroscópicas do sistema. Ex: massa, volume, pressão, temperatura, etc. Propriedades Extensivas • valor da propriedade para um sistema global é a soma de seus valores para as partes

nas quais o sistema é dividido. • dependem da quantidade de matéria contida no sistema • podem variar com o tempo. Ex: massa, volume, energia interna, entalpia, entropia. Propriedades Intensivas • Não são aditivas. Seus valores são independentes do tamanho ou extensão de um

sistema. • São funções da posição e do tempo, mas não se alteram quando o sistema é

subdivido.

Ex: pressão, temperatura, viscosidade, massa específica, etc.

5. ESTADO • Condição do sistema descrito por suas propriedades. • Quando as propriedades do sistema variam, o estado varia e o sistema é dito ter

passado por um processo.

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6. PROCESSO É a transformação de um estado a outro. A variação no valor de uma propriedade entre dois estados independe do processo.

Ex: ∆T=T2-T1 Processos em que uma propriedade se mantém constante: Processo isotérmico = T constante Processo isobárico = p constante Processo isocórico ou isovolumétrico = V constante

7. EQUILÏBRIO Um sistema em equilíbrio não experimenta nenhuma variação em suas propriedades. A termodinâmica trata com estados de equilíbrio.

Equilíbrio térmico = mesma temperatura Equilíbrio mecânico = mesma pressão Equilíbrio químico = mesma concentração Equilíbrio termodinâmico deve satisfazer todas as formas de equilíbrio.

Processo de quasiequilíbrio ou quasiestático: Processo em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal (processo lento). Todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio.

T p

T

v v v

Proces. Isotérmico Proces. Isobárico Proces. isocórico

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8. CICLO Seqüência de processos, que começam e terminam no mesmo estado. 9. FASE Quantidade de matéria que é homogênea na composição química e estrutura física (toda sólida, ou gás ou líquida). Em cada fase a substância pode existir a diferentes pressões e temperatura. Ex: - água líquida e vapor d’água – 2 fases - os gases podem ser misturados e formar uma simples fase

SISTEMAS DE UNIDADES Atribui valores numéricos específicos para fenômenos físicos observáveis, de maneira que estes possam ser descritos analiticamente. DIMENSÃO quantidade física utilizada para definir qualitativamente uma propriedade que

pode ser medida ou observada. Exemplo: Comprimento [L], Tempo [t], Massa [M], Força [F] e Temperatura [θ]. UNIDADE são nomes arbitrários atribuídos às dimensões. Exemplo: dimensão → comprimento unidades → centímetros, pés, polegadas,

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2

1

2

31

2

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SISTEMAS DE UNIDADES 1. Sistema Internacional - SI -

L Comprimento metro m M Massa quilograma kg t Tempo segundo s θθθθ Temperatura graus Celsius ou Kelvin °C ou K

Força: definida pela 2ª Lei de Newton

a.mF = F - força [N]

m - massa [kg] ��

���

�== N

2s

mkg a.mF

a - aceleração [m/s2] 2. Sistema Inglês

L Comprimento Pés ft M Massa libra-massa lbm F Força libra-força lbf t Tempo Segundo s θθθθ Temperatura graus Fahrenheit ou Rankine °F ou °R

Força: é estabelecido como uma quantidade independente definida por procedimento

experimental: a força de 1 lbf acelerará a massa de 1 lbm 32,174 pés por segundo ao quadrado.

- Ao relacionar força e massa pela lei de Newton, surge uma constante de proporcionalidade, gc:

lbf1g

)s/ft174,32.(lbm1g

a.mF

c

2

c===

- gc terá as dimensões MLF-1t-2

- para sistema inglês: 2c

s.lbf

ft.lbm174,32g =

gc tem o mesmo valor numérico que a aceleração da gravidade ao nível do mar, mas não é aceleração da gravidade. Serve para relacionar estas quantidades.

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3. Sistema Gravitacional Britânico

L Comprimento pés ft M Massa slug slug F Força libra-força lbf t Tempo segundo s θ Temperatura graus Fahrenheit ou Rankine °F ou °R

Outros: - Sistema Técnico de Engenharia: kg, m, s, kgf gc= 9,80665 kg.m/(kgf.s2)

- Sistema CGS: g, cm, s, dina PESO ≠≠≠≠ MASSA O Peso de um corpo é definido como a força que age no corpo resultante da aceleração da gravidade. Varia com a altitude. MASSA ESPECÍFICA E VOLUME ESPECÍFICO São propriedades intensivas: variam de ponto a ponto no sistema e com o tempo.

- Massa específica ( ρρρρ ): massa por unidade de volume. Vm=ρ ,

ft

lbm ,

m

kg33 ��

���

�

- Volume específico (v): inverso da massa específica ou o volume por unidade de

massa. ρ

== 1mV

v , lbmft

, kgm 33

���

�

���

�

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PRESSÃO Para um fluido em repouso, a pressão (P) é definida como a força normal (FN) por unidade de área (A). Nestas condições, ela é chamada de pressão estática.

AF

P N= [ ] psi bar, ,Pa

SI: MPa1,0Pa10 1bar ,m

N1Pa1 5

2=== Inglês:

2in

lbf1psi1 =

A pressão é uma propriedade intensiva, varia de ponto a ponto no sistema. Exemplo: pressão atmosférica com a elevação, pressão com a profundidade de corpos na água Manômetros de Pressão: são instrumentos para medir a pressão de fluidos (gasosos ou líquidos) em recipientes fechados. Os mais comuns são os manômetros e os tubos de Bourdon. Manômetros: o manômetro tipo de nível utiliza uma coluna de líquido, normalmente água (H2O) ou mercúrio(Hg), para medir a pressão, indicando a altura da coluna, a intensidade de pressão.

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Tubos de Bourdon: consiste em um tubo metálico curvado, de forma elíptica que se tende a se endireitar quando aumenta a pressão do fluido no tubo e a se aper4tar quando a pressão diminui. Qualquer modificação na curvatura do tubo transmite-se através de um sistema de engrenagens para um ponteiro indicador

Tubo de Bourdon

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Barômetros: medem a pressão atmosférica através da altura de uma coluna de Hg

1 atmosfera padrão (atm) = pressão produzida por uma coluna de 760 mm de mercúrio a 273,15 K e sob aceleração gravitacional padrão na terra de g=9,8 m/s2 1 atm = 1,01325 x 105 Pa (N/m2) = 14,696 lbf/in2

�ghPPP vaporatmA +==

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Pressão absoluta, pressão atmosférica e pressão manométrica

Pressão absoluta = Pressão total Pressão atmosférica = pressão exercida pela atmosfera (varia com o local e a elevação)

e é o resultado do peso do ar. Medida com o barômetro. Pressão manométrica = pressão efetiva medida por aparelhos (manômetros). É a

diferença entre pressão absoluta no sistema e a pressão atmosférica externa ao medidor

Pabs1

Patm

Pabs2

0

efet1P atmP1absP += 2efetPatmPabs2P −=

∆P = Pefe1

∆P = Pefe2 Patm

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TEMPERATURA E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Temperatura: propriedade intensiva medida da sensacão de “quente”e “frio” quando temperatura varia outras propriedades também variam Igualdade de temperatura - equilíbrio térmico - quando as variações de uma propriedade sob observação cessam, finaliza interação Temperatura é a propriedade física que indica se os corpos estão em equilíbrio térmico (temperaturas iguais) Lei zero da termodinâmica

A Lei Zero da Termodinâmica é a base para a medição da temperatura. Se quisermos saber se 2 corpos estão a mesma temperatura basta verificar se eles estão individualmente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo → TERMÔMETRO Termômetros - qualquer corpo com pelo menos uma propriedade miscível que varie com a variação de temperatura (propriedade termométrica)

Sensores de temperatura

substância termométrica

propriedade termométrica

característica

Termômetro líquido

mercúrio, álcool

comprimento do líquido no capilar

temperaturas normais

Termômetro a gás

hélio ou hidrogênio

pressão

.precisão e exatidão

.instrumento padrão de calibração

Termopares união entre 2 metais: Cu/constantã, Pt/radio

fem altas temperaturas

Sensores de resistência elétrica

materiais condutores: Pt, Ni, Cu semicondu-tores

Pirômetros de radiação pirômetros óticos

sensores de radiação

para medir T de objetos em movimento a T elevadas

Entretanto, necessita-se relacionar as temperaturas lidas em diferentes termômetros.

“Dois corpos, cada um em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, estarão em equilíbrio térmico entre si”

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Escalas de temperatura São definidas para um valor numérico atribuído a um ponto fixo padrão. SI, a escala usada é a Celsius (°C) Sistema inglês, o Fahrenheit (°F) Até 1954 eram baseadas em dois pontos fixos reproduzíveis: temperatura de fusão do gelo - mistura água/gelo em equilíbrio com o ar saturada a 1 atm - 0°C, 32°F temperatura de vaporização da água - água e vapor em equilíbrio a 1 atm - 100°C, 212°F A partir de 1954 a escala Celsius foi redefinida em termos do ponto triplo da água - coexistência das fases sólido, líquido e vapor => 0,01 °C

Escalas Absolutas (Escala termodinâmica de temperatura) Escala de temperatura independente da substância termométrica Obtida através do princípio da conservação de energia e segunda lei da termodinâmica A ESCALA KELVIN é uma escala de temperatura termodinâmica absoluta que dá uma definição de temperatura válida sobre todas as faixas de temperatura. Medidas com diferentes termômetros podem ser relacionadas a escala Kelvin. A escala Celsius tem a mesma magnitude que a Kelvin, portanto as diferenças são idênticas em ambas escalas.

0 °C= 273,15 K T(°C)= T(K)-273,15

A ESCALA RANKINE (°R) é associada a Fahrenheit (mesma magnitude) O zero absoluto da Rankine coincide com o da Kelvin.

T(°F)= T(°R)-459,67

T(°F)=32+9/5 T(°C) T(°R)= 9/5 T(K)

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K °C °R °F

100 671,67 212

273,16 0,01 491,69 32,02

273,15 0,00 491,67 32,0

0,00 -273,15 0,00 -459,67Zero absoluto

Ponto tripoda água

Ponto defusão

Ponto devaporização

Kelvin Celsius Rankine Fahrenheit

373,15