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UTFPR – Termodinâmica 1

Conceitos Introdutórios e Definições

Princípios de Termodinâmica para Engenharia Capítulo 1


Por que estudar Termodinâmica ?

Porque ela está presente em tudo !!!

Na Produção de Energia ...Nas altas tecnologias ...No seu carro ...Na sua casa ...Até mesmo ... em você !!!


Objetivos

• Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica aplicada à engenharia;

• O engenheiro está, geralmente, se está interessado em estudar sistemassistemas e como eles interagem com suas vizinhançasvizinhanças.


Conceitos e DefiniçõesConceitos e Definições

• SistemaSistema é tudo aquilo que desejamos estudar;

• VizinhançaVizinhança é tudo aquilo que é externo ao sistema;

• O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteirafronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento.


Sistema

Exemplo de um SistemaExemplo de um Sistema

Fronteira

Vizinhança


Tipos de SistemaTipos de Sistema

• Defini-seDefini-se sistema fechado sistema fechado quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo.

• Também é denominado de massa de controlemassa de controle. • Um sistema fechado que não interage com suas

vizinhanças é denominado sistema isoladosistema isolado;• Volume de controleVolume de controle é definido como uma região

do espaço através da qual a massa pode escoar. Também é denominado sistema abertosistema aberto;

• Fronteira também é denominada superfície de superfície de controlecontrole. .


Exemplos de tipos de sistemasExemplos de tipos de sistemas

Sistema fechado(massa de controle)

Volume de controle(sistema aberto)


A Termodinâmica ClássicaA Termodinâmica Clássica

• A Termodinâmica Clássica se preocupa com o comportamento geral ou global de sistemas de interesse;

• Também denominada de visão macroscópica;

• A Termodinâmica Clássica não utiliza os modelos da estrutura da matéria em nível molecular e atômico;

• Oferece uma abordagem mais direta para a maioria do problemas;

• Utiliza uma complexidade matemática bem menor.


A Termodinâmica EstatísticaA Termodinâmica Estatística

• A Termodinâmica Estatística se preocupa diretamente com a estrutura da matéria;

• Esta é conhecida como uma abordagem microscópica;

• A Termodinâmica Estatística objetiva estudar o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relacionar isto com a abordagem macroscópica.


O Conceito de PropriedadeO Conceito de Propriedade

• Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo, sem o conhecimento da história do sistema.

A temperatura, o volume,e a massa das pedras degelo são exemplos de propriedades.


Definições de Estado e Processo

Estado é uma condição de um sistemadescrito por suas propriedades

Processo

Processo é quando uma das propriedadesé alterada, ou seja, quando o estado muda

Tempo

Se nenhuma propriedade muda com a variação dotempo: o sistema está em regime permanente


O Ciclo termodinâmico

Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se inicia e termina em um mesmo estado

Processo Processo


Propriedade ou não-Propriedade ?

• Uma quantidade é uma propriedade se, e somente se, sua mudança em valor entre dois estados é independente do processo; Ou seja, só depende dos estados extremos e não dos detalhes do processo.

Propriedade:

Massa

Não-propriedade:

Calor


Propriedades extensivas e intensivas

• Uma propriedade é extensiva se o seu valor para um sistema é a soma de todas as partes que o compõem;

• Uma propriedade intensiva é aquela que varia ao longo do sistema em determinado momento.

A massa total é a somadas massas das partes

A temperatura é a mesma para cada parte


Fase e substância

• Fase é uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo em composição química e em estrutura física;

• Substância pura é aquela cuja composição química é uniforme e invariável.

Copo com gelo e água:•Duas fases;•Uma substância pura.

Copo com água e óleo:•Duas fases;•Um estado da matéria.


Equilíbrio

• É uma condição de estabilidade utópica;

• Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.


Processos Reais

• Em processos reais, ou de não-equilíbrio, as propriedades variam com o tempo e o espaço, às vezes, caoticamente;

• Pode-se, por uma aproximação infinitesimal do processo, obter-se o que é chamado de processo em estado de quase-equilíbrio (ou quase-estacionário)


Sistemas de Unidades

SI (Sistema Inter. de Unid.)SI (Sistema Inter. de Unid.) (Sistema Inglês de Unidades)(Sistema Inglês de Unidades)

Quantidade Unidade Símbolo Unidade Símbolo

massamassa quilogramaquilograma kgkg libra-massalibra-massa lblb

comprimentocomprimento metrometro mm pépé ftft

tempotempo segundosegundo ss segundosegundo ss

força newton (= 1 kg.m/s²) N libra-força (= 32,1740 lb.ft/s²) lbf


Sistemas de Unidades

1 kg = 2,2046 lb1 kg = 2,2046 lb → 1 lb = 0,4536 → 1 lb = 0,4536 kgkg

1 m = 3,2808 ft 1 m = 3,2808 ft → → 1 ft = 0,3048 m1 ft = 0,3048 m

1 ft1 ft33 = 0,028317 m = 0,028317 m33 → 1 m → 1 m33 = = 35,315 ft35,315 ft33

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

T(T(ooR) = 1,8 T (K) R) = 1,8 T (K)

T(T(ooC) = T(K) – 273,15C) = T(K) – 273,15

T(T(ooF) = T(F) = T(ooR) – 459,67R) – 459,67


Volume específico

• Utilizando o conceito de meio contínuo, ou seja, a hipótese de que a matéria é uniformemente distribuída ao longo de uma região, tem-se:

'limV V

m

V

1

Massa específica, massa por unidade de volume [kg/m³]

Menor volume para o qualvale a hipótese do contínuo

Volume específico, volume por unidade de massa [m³/kg]

M Volume ocupado por um kmolda substância [m³/kmol] é oVolume molarVolume molar

Peso molecular dasubstância [kg/kmol]


Pressão

• Com a hipótese do meio contínuo, considera-se uma pequena área A. O fluído de um dos lados desta área exerce uma força compressiva. E o do outro

lado exerce uma força igual. Assim tem-se:

'lim normal

A A

Fp

A

Pressão1 pascal = 1 N/m²1 KPa = 10³ N/m²1 bar = 105 N/m²1 MPa = 106 N/m²

1 atm = 1,01325x105 N/m²

Força de compressão

Menor área para a qualvale a hipótese do contínuo

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )atm

atm

p manomética p abs p abs

p vácuo p abs p abs


Medindo Pressão

Manômetro

Sensor Piezoelétrico

Tubo Bourdon


Pressão Absoluta e Relativa

• Os dispositivos freqüentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo de medida.

• A magnitude dessa diferença é chamada pressão manométrica ou pressão de vácuo.

• P(manométrica) = P(absoluta) – Patm (absoluta)

• P(vácuo) = Patm (absoluta) – P(absoluta)


Conceitos de temperaturaConceitos de temperatura

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

– Interação térmica, quando os dois corpos trocam calor;– Equilíbrio térmico, quando não há troca de calor;– Se dois corpos estão em equilíbrio, logo eles possuem a

mesma temperatura;– Processo adiabático, quando o processo é isolado e não

interage com suas vizinhanças;– Processo isotérmico, quando o processo ocorre a

temperatura constante.

CalorCalor

Calor

Temperatura


Medindo TemperaturaMedindo Temperatura

• A lei zero da termodinâmica diz que se dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si.

• Este terceiro corpo é usualmente um termômetro, que utiliza uma propriedade termométrica para medir a temperatura de um dado corpo.


TermômetrosTermômetros

Termômetrode gás

Termopar

Termômetrode bulbo


Escalas de temperatura

• As escalas são definidas por um valor numérico associado a um ponto fixo padrão;

• A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da água como padrão fixo;

• O ponto triplo da água é 273,16 kelvins, e o intervalo entre o ponto de gelo e o ponto de vapor d’água 373,15 kelvins é 100 K;

• A escala de gás é derivada destes conceitos, e leva em consideração a pressão do gás de um termômetro de gás, conforme a relação:

273,16limtp

pT

p


Escala CelsiusEscala Celsius

( ) ( ) 273,15oT C T K

( ) ( )oT C T K

273,15 0,01

0 273,15

o

o

K C

K C

0,00oC

100,00oC

Ponto de solidificação

Temperatura de vapor


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


Comparação das Escalas


Projeto de Engenharia e Análise

• Um projeto de engenharia é um processo de tomada de decisão, que considera inúmeros fatores condicionados para se resolver um problema, ou atender a uma necessidade ou oportunidade;

• Para se realizar uma análise termodinâmica é preciso a definição do sistema e das interações com suas vizinhanças. Também é preciso criar um modelo de engenharia, que é uma representação simplificada do problema.


Metodologia para solução de problemas

• DADO : Enuncie de forma concisa em suas próprias palavras o que se conhece;

• PEDE-SE : Enuncie concisamente em suas próprias palavras o que deve ser determinado;

• DIAGRAMAS E DADOS FORNECIDOS : Desenho um esboço do problema. Veja se é um sistema fechado ou volume de controle, identifique as fronteiras. Liste todos os valores fornecidos e antecipe alguns que podem ser necessários;


Metodologia para solução de problemas

• HIPÓTESES : Liste todas as hipóteses simplificadoras e idealizações feitas a fim de tornar o problema viável;

• ANÁLISE : Trabalhe o máximo possível com as equações antes de inserir os dados numéricos. Identifique as tabelas, gráficos ou equações para as propriedades que forneçam os valores desejados. Verifique cuidadosamente se o sistema de unidades é consistente. Finalmente pondere se os valores finais e sinais algébricos são razoáveis.


Referências

• MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.

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