Termodinâmica: aula 1EP

Professora Mestre Inara Amoroso da Silva.

Termodinâmica.

Estuda as transformações e transferências de energia.

Sistema, vizinhança e fronteiras

• Sistema: É a parte do universo que estamos observando e estudando. Ex: gás em um cilindro.

• Outra definição de sistema: Uma quantidade de matéria com massa e identidade fixas sobre o qual nossa atenção é dirigida.

• Vizinhança: Tudo externo ao sistema.• Fronteiras: separa o sistema da vizinhança, podem ser

fixas ou móveis.

Exemplo

• Gás em um cilindro.

Tipos de sistemas

• Sistema aberto: Onde a matéria pode ser transferida da fronteira entre os sistemas e suas vizinhanças. Troca matéria e energia.

• Sistema fechado: A matéria não pode passar através das fronteiras. Ocorre troca de energia.

• Sistema isolado: não ocorre transferência de matéria e nem trocas e energia.

Exemplo

Tipos de fronteiras

• Nem todas as fronteiras permitem transferência de energia, mesmo havendo uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança.

• Fronteiras diatérmicas: uma fronteira permeável à passagem de energia na forma de calor. Ex: chama aquecendo uma panela de água.

• Fronteira adiabática: Uma fronteira que não permite a transferência de energia na forma de calor.

Exemplo

Fases da matéria

Sólido (S). Líquido (L). Gasoso (G).

Estados

• Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas (em vários estados).

• O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades como temperatura, pressão e massa específica.

Propriedade

• Pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e independente do caminho pelo qual o sistema chegou ao estado considerado.

Propriedade intensiva e extensiva

• Propriedade intensiva : é independente da massa. Ex: Temperatura, densidade e etc.

Propriedade extensiva

• Propriedade extensiva: varia diretamente com a massa.

• Ex: O volume é um exemplo de propriedade extensiva, pois a massa de 1 kg de algodão ocupará um volume muito maior do que a massa de 1 g desse mesmo material.

Processo

Processos

• É o resultado de uma sucessão contínua de estados de equilíbrio de um sistema. Um processo é iniciado num estado de equilíbrio e termina em outro.

Ciclos

• Quando um sistema em seu estado inicial passa por certo número de mudanças de estado ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executa um ciclo. Desta forma, no final do ciclo, todas as propriedades tem o mesmo valor inicial. A água que circula numa instalação termoelétrica executa um ciclo.

Exemplo de ciclo

Exemplo de ciclo

Massa, comprimento, tempo e força.

• Usar essas unidades:• Massa: kg• Comprimento: metros (m)• Tempo: segundos (s)• Força: Newtons (N)• Pressão: Pascal (Pa)• Volume: m3 e área em m2

• Certo pessoal?!

Mol

n é o número de mols (kmol).M é a massa molar.m é a massa (kg).n=m/M

Força

• Força: F=m.a, unidade em N.• m é a massa em kg• a é a aceleração m/s2

Significado de volume específico

Volume ocupado pela unidade de massa.

Volume específico

V=v/m

Volume ocupado pela unidade de massa.

Massa específica

m/v

Exercícios

• 1) Um sistema fechado que consiste de 0,5 kmol de amônia ocupa um volume de 6 m3. Determine a força e o volume específico, considerando g=9,81 m/s2 e M=17 kg/kmol. Resposta: 83,38N, 0,705 m3/kg

Propriedades termodinâmicas

• Pressão: P=F/A• Pressão em uma coluna com fluido:

Manômetros e barômetros

P barômetro é a pressão atmosféricaP barômetro=P atmosféricaPatm=

O manômetro dá o delta P, ou seja, p-patm.

Exercício

Resposta: L=2 cm2,67 kPa

Exercício

• Um barômetro contêm mercúrio (d=13,59 g/cm3 ). Se a pressão atmosférica local é 100 kPa e g=9,81 m/s2 . Calcule a altura da coluna de mercúrio. Reposta= 0,750 m.

Temperatura

• Sempre utilizar temperatura em Kelvin (K).• Conversão de °C para K.

T(K)=T(°C)+273,15

Conversão de °C em Fahrenheit

Calor.

Transferência de energia como resultado de uma diferença de temperatura.

Mecanismos de transferência de calorA transferência de calor ocorre de três formas, quais sejam:

condução, convecção e radiação térmica.

Condução

A energia é transferida de uma extremidade a outra por condução. Os elétrons e átomos da panela vibram intensamente por causa da alta temperatura em que estão expostos. Estas vibrações e as energias associadas, são transferidas pela barra através de colisões entre os átomos. Dessa forma uma região de temperatura crescente se propaga em direção a outra extremidade da barra.

Condução

Pcond=Q/t=kA(Tq-TF)/L

Pcond: taxa de condução (energia transferida (Q) por unidade de tempo (t)).K: condutividade térmica, é uma constante que depende do material de que é

feita a placa. A: área e L é a espessura da objeto.

Tq e TF: temperatura de uma fonte quente e de uma fonte fria.

Tabela de condutividade térmica

Condução através de uma placa composta

P cond= A(Tq-TF)

∑(L/k)

Convecção

Acontece quando um fluido, como ar ou água, entra em contato com um objeto cuja temperatura é maior que a do fluido. A temperatura da parte do fluido que está em contato com o objeto quente aumenta e essa parte do fluido se expande, ficando menos denso. Como o fluido expandido é mais leve este sobe e o fluido mais frio desce.

Radiação

É um troca de energia através de ondas eletromagnéticas (radiação térmica). Não é necessário a existência de um meio material para que o calor seja transferido por radiação. O calor do sol chega até nós através do vácuo.

Entregar

• Exercício 2.3, 2.9 e 2.21 do PLT capítulo 2.