tópico 1 - conceitos básicos da termodinâmica

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Conceitos Básicos da Termodinâmica

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  • Aplicao

  • Por que estudar Termodinmica ?

    Porque ela est presente em tudo !!!

    Na Produo de Energia ...Nas altas tecnologias ...No seu carro ...Na sua casa ...At mesmo ... em voc !!!

  • Termodinmica

    Therme (calor) Dynamis (potncia)

    Intuio: Calor em movimento

  • Termodinmica Clssica x Estatstica

    Termodinmica Estatstica: Maxwell (teoria cintica dos gases), Boltzmann (verso probabilstica da

    entropia), Gibbs (mecnica estatstica).

    Termodinmica Clssica: Carnot Kelvin Clausius

  • A Termodinmica Clssica

    A Termodinmica Clssica se preocupa com ocomportamento geral ou global de sistemas de interesse;

    Tambm denominada de viso macroscpica; A Termodinmica Clssica no utiliza os modelos da

    estrutura da matria em nvel molecular e atmico; Oferece uma abordagem mais direta para a maioria do

    problemas; Utiliza uma complexidade matemtica bem menor.

  • A Termodinmica Estatstica

    A Termodinmica Estatstica se preocupadiretamente com a estrutura da matria;

    Esta conhecida como uma abordagemmicroscpica;

    A Termodinmica Estatstica objetiva estudar ocomportamento mdio das partculas quecompem um sistema e relacionar isto com aabordagem macroscpica.

  • SISTEMA DE UNIDADES

    Grandezas Fundamentais

    Tempo + comprimento +

    massa

    fora

    Forma um sistema de unidades absoluto

    Forma um sistema de unidades tcnico

  • SISTEMA DE UNIDADES

    SI (Sistema Inter. de Unid.)(MKS)

    (Sistema Ingls de Unidades)(FPS)

    Quantidade Unidade Smbolo Unidade Smbolo

    massa quilograma kg libra-massa lb

    comprimento metro m p ft

    tempo segundo s segundo s

    fora newton (= 1 kg.m/s) N libra-fora (= 32,1740 lb.ft/s) lbf

  • SISTEMA DE UNIDADES

    unidadeSI

    (MKS) CGSMK*S

    (Sist.Tcn.)

    ISP(sistema

    tcncio ingls)

    FSP(sistema

    tcnico ingls)

    Tempo s s s s s

    Distncia m cm m in ft

    Massa kg g Utm Slug libra-massa (lbm)

    Fora N dyn(Dina) kgfLibra / libra-

    fora / poundLibra / libra-

    fora / pound

    Tipo LMTAbsolutoLMT

    AbsolutoLFT

    GravitacionalLFT

    GravitacionalLFT

    Gravitacional

    Mltiplos Decimal Decimal Decimal No decimal No decimal

    * 1 slug = 32,174048 libras avoirdupois

  • SISTEMA DE UNIDADESVantagem do SI:

    Sistema simples e lgico Base decimal Usado em quase todo o mundo

    Desvantagem do Sistema Ingls:

    Relaes arbitrrias entre unidades Sem base numrica sistemtica Usado principalmente nos USA e Inglaterra

    1 m = 100 cm = 1000 mm

    1 lgua = 3 milhas 1 yd = 3 ft1 milha = 1760 yd 1 ft = 12 in

    1 (cm) = 1 (10-2m) 1 (mm) =1 (10-3 m)

  • SISTEMA DE UNIDADES

    1 kg = 2,2046 lb 1 lb = 0,4536 kg

    1 m = 3,2808 ft 1 ft = 0,3048 m

    1 ft3 = 0,028317 m3 1 m3 = 35,315 ft3

    1 lbf = 4,4482 N 1 N = 0,22481 lbf

    T(oR) = 1,8 T (K)

    T(oC) = T(K) 273,15

    T(oF) = T(oR) 459,67

  • SISTEMA DE UNIDADES

    1 J = 1 N.m

    1 cal = 4,1868 J

    1 Btu = 1,0551 kJ

    1 hp = 746 W

    1 kWh = 3600 kJ

    1 lb (libra-massa)=0,45359237 kg

  • PREFIXOS SISTEMA SINome Smbolo Fator de multiplicao da unidadeyotta Y 1024 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000

    zetta Z 1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000exa E 1018 = 1 000 000 000 000 000 000peta P 1015 = 1 000 000 000 000 000tera T 1012 = 1 000 000 000 000giga G 109 = 1 000 000 000mega M 106 = 1 000 000quilo k 10 = 1 000hecto h 10 = 100deca da 10deci d 10-1 = 0,1centi c 10-2 = 0,01mili m 10-3 = 0,001

    micro 10-6 = 0,000 001nano n 10-9 = 0,000 000 001pico p 10-12 = 0,000 000 000 001

    femto f 10-15 = 0,000 000 000 000 001Atto a 10-18 = 0,000 000 000 000 000 001zepto z 10-21 = 0,000 000 000 000 000 000 001

    yocto y 10-24 = 0,000 000 000 000 000 000 000 001

  • SISTEMA DE UNIDADES

  • SISTEMA

    Sistema tudo aquilo que desejamos estudar;

    Vizinhana tudo aquilo que externo ao sistema;

    O sistema separado de sua vizinhana por uma fronteira especificada que pode estar em repouso

    ou em movimento.

  • Sistema

    Exemplo de um SistemaFronteira

    Vizinhana

  • Tipos de Sistema Fechados: quando uma certa quantidade de matria

    encontra-se em estudo; Isolado: um sistema fechado que no interage com

    suas vizinhanas; Aberto (Volume de controle): uma regio do espao

    atravs da qual a massa pode escoar; Fronteira tambm denominada superfcie de

    controle.

  • Volume de Controle

  • Exemplos de tipos de sistemas

    Sistema fechado(massa de controle)

    Volume de controle(sistema aberto)

    Vlvulas Fechadas

  • Fronteiras do Sistema

    essencial que a fronteira do sistemaseja cuidadosamente delineada antes doprocedimento da anlise termodinmica.

  • Propriedades

    A temperatura, o volume,e a massa das pedras degelo so exemplos depropriedades.

    Caracterstica macroscpica do sistema, para osquais pode ser definido um valor numrico emdado tempo sem o conhecimento docomportamento prvio (histrico) do sistema.

  • Propriedades extensivas e intensivas

  • Propriedades extensivas e intensivas

    A massa total a somadas massas das partes

    A temperatura a mesma para cada parte

  • EstadoCondio de um sistema descrito por suaspropriedades.

    Quando qualquer propriedade do sistema alterada ocorre uma mudana de estado. Ouseja, o sistema percorreu um processo.

    Processo

    Regime PermanenteNenhuma das propriedades do sistema variacom o tempo.

  • Propriedades e no-propriedades

    Reforando o conceito de propriedade:

    Uma grandeza uma propriedade se, esomente se, sua mudana de valor entredois estados independente do processo.

  • Hiptese do Continuum

  • Hiptese do Continuum

  • Propriedades intensivas importantes

    = 1

    Volume especfico

    Presso

    Temperatura

  • Outras propriedades

    =

    = @

    = . Massa Especfica

    Peso Especfico

    Densidade

    Volume molar

    =

    Nmero de mols (n)

    Massa molar (M) [kg/kmol] [g/mol] [lb/lbmol]

    [mol]; [kmol]; [lbmol]

    Mvv [m3/kmol] [ft3/lbmol]

  • Presso Com a hiptese do meio contnuo, considera-se uma pequena

    rea A. O fludo de um dos lados desta rea exerce uma fora compressiva. E o do outro lado exerce uma fora igual. Assim tem-se:

    'lim normalA A

    FpA

    Presso1 pascal = 1 N/m1 KPa = 10 N/m1 bar = 105 N/m1 MPa = 106 N/m

    1 atm = 1,01325x105 N/m

    Fora de compresso

    Menor rea para a qualvale a hiptese do contnuo

  • Medindo Presso

    Manmetro

    Sensor Piezoeltrico

    Tubo Bourdon

  • Presso Absoluta e Relativa Os dispositivos freqentemente indicam a diferena entre a presso absoluta de

    um sistema e a presso absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo demedida.

    A magnitude dessa diferena chamada presso manomtrica, relativa oupresso de vcuo.

    ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

    atm

    atm

    p manomtica p abs p absp vcuo p abs p abs

  • Presso Absoluta e Relativa

  • Presso Absoluta e Relativa

  • Variao da Presso com a Profundidade

    = + .

    = . =cte e g=cte

  • Barmetro

    = = . = + .

  • Presso e profundidade

  • Princpio de Pascal

  • Comparao das Escalas

  • Escala Celsius

    ( ) ( ) 273,15oT C T K

    ( ) ( )oT C T K

  • Escala Rankine e Fahrenheit

    ( ) 1,8 ( )oT R T K

    ( ) ( ) 459,67o oT F T R

    ( ) 1,8 ( ) 32o oT F T C

    Escala Rankine

    Escala Fahrenheit

  • Escalas de temperatura As escalas so definidas por um valor numrico associado a

    um ponto fixo padro; A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da gua como padro

    fixo; O ponto triplo da gua 273,16 kelvins, e o intervalo entre

    o ponto de gelo e o ponto de vapor dgua 373,15 kelvins 100 K;

    A escala de gs derivada destes conceitos, e leva em considerao a presso do gs de um termmetro de gs, conforme a relao:

    273,16limtp

    pTp

  • Estado de equilbrio

    uma condio de estabilidade utpica; Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanas

    no se observar mudanas em suaspropriedades dizemos que ele est em umestado de equilbrio.

  • Estado de equilbrio

    Do no-equilbrio para o equilbrio trmico

  • Postulado de Estado

    O estado de um sistemacompressvel simples completamente especificadopor duas propriedadesintensivas independentes.

    No necessrio a descriode todas as propriedades dosistema para especificar seuestado.

  • Postulado de Estado

    As propriedades se relacionam entre si.

    Matematicamente, dizemos que, da lista de propriedades:

    T, P, V, v, u, cp, etc

    algumas delas so capazes de estabelecer os valores que asdemais devero assumir. Ou seja:

    T=f(v,P) P=f(v,T) etc.

  • Processo

  • Processo de Quase-Equilbrio

  • Processo de Quase-Equilbrio

  • Processo de Quase-Equilbrio

  • Ciclo Termodinmico

    Um Ciclo termodinmico uma seqncia de processos que se inicia e termina em um mesmo estado

    Processo Processo

  • Ciclo Termodinmico

  • Regime Permanente

    Tempo

    Se nenhuma propriedade muda com a variao dotempo: o sistema est em regime permanente

    = 0 * onde uma propriedade qualquer.

  • Imagine dois corpos um mais quente que o outro, pode-se ento definir:

    Interao trmica, quando os dois corpos trocam calor;Equilbrio trmico, quando no h troca de calor;Se