VanWylen, Sonntag e Borgnakke Baseadas no livro ?· Termodinâmica – Notas de Aula 1 CEFET-MG –…

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<ul><li><p>Termodinmica Notas de Aula 1</p><p>CEFET-MG NOTAS DAS AULAS DE TERMODINMICA Baseadas no livro Fundamentos da Termodinmica, 6 Edio, VanWylen, Sonntag e Borgnakke </p><p> 1. CAPTULO I COMENTRIOS PRELIMINARES </p><p> Fig. 1-1 Desenho esquemtico de uma Central Termoeltrica </p><p> Fig. 1-2 Desenho esquemtico de uma Usina Nuclear </p><p>Termodinmica Notas de Aula 2</p><p> Fig. 1-3 Desenho esquemtico de uma Chamin Solar. </p><p> Fig. 1-4 Desenho esquemtico de um Sistema que utiliza </p><p>Biomassa. </p><p> Fig. 1-5 Desenho esquemtico de uma hdreltrica. </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 3</p><p>2. CAPTULO II CONCEITOS E DEFINIES </p><p>Etimologia: THEME - CALOR; DYNAMIS FORA </p><p>Para a Engenharia: interesse em estudar sistemas e suas interaes energticas (calor e trabalho) com a vizinhana. </p><p>2.1. Sistema Temodinmico / Volume de Controle Sistema termodinmico: o termo sistema usado pela termodinmica se refere a uma quantidade definida de matria envolvida por uma superfcie fechada impermevel ao fluxo de matria </p><p> Vizinhana: tudo que se encontra fora das fronteiras do sistema Fronteiras (fixa/mvel): superfcie impermevel que envolve o sistema </p><p> Sistema Isolado: no permite que calor (energia) ou trabalho sejam transferidos pelas fronteiras do sistema </p><p> Sistema Fechado: permite somente que energia seja transferida pelas fronteiras do sistema </p><p> Volume de Controle (V.C.): permite o fluxo de massa atravs de suas fronteiras, ou seja, fluxo de matria e energia </p><p>Volume de Controle (fluxo de massa) Sistema (massa fixa) </p><p>PESOS</p><p>GS</p><p>PISTO</p><p>FRONTEIRA DO SISTEMA</p><p>SISTEMA: GS</p><p>VIZINHANA: PISTO, PESOS, CILINDRO, ATMOSFERA </p><p> Fig. 2-1 Exemplo de um sistema </p><p>2.2. Pontos de Vista Macroscpico e Microscpico Microscpico: efeitos discretos: alta complexidade exatido (por exemplo: 6 1020 equaes para solucionar a posio de tomos num cubo de 25 mm) </p><p> Macroscpico: efeitos globais ou mdios: baixa complexidade boa preciso </p><p>Termodinmica Notas de Aula 4</p><p> Meio contnuo: (no ingls: bulk) uma substncia tratada como contnua, ou seja, o comportamento de cada molcula em separado considerado como desprezvel </p><p>2.3. Estado e Propriedade de uma Substncia O estado de um sistema identificado por meio de grandezas que </p><p>podem ser observadas quantitativamente tais como volume, temperatura, densidade, etc. Essas grandezas so denominadas propriedades. </p><p> Fases: slida lquida gasosa Estado: descrito por pelo menos uma fase. determinado pelas propriedades termodinmicas macroscpicas: por exemplo, temperatura, presso e massa especfica </p><p> Propriedades extensivas: so dependentes da massa da substncia: m, v, e, u, h, s. </p><p> Propriedades intensivas: so independentes da massa da substncia: V, T, P, E, U, H, S. </p><p> Meio contnuo: a propriedade da substncia vlida para todo o sistema considerado. </p><p> Equilbrio trmico: a temperatura do sistema a mesma em todo o sistema e vizinhanas (T f(x, y, z)) </p><p> Equilbrio qumico: a composo qumica do sistema permanece inalterada </p><p> Equilbrio termodinmico: quando um sistema no est sujeito a interaes com a vizinhana e mudanas internas no ocorrem. </p><p> Equilbrio mecnico: quando no h nenhuma desequilbrio de foras dentro do sistema e a fora interna exercida sobre as fronteiras balanceada por foras externas (P f(t)) </p><p>2.4. Processos e ciclos Mudana de estado: alterao de pelo menos uma propriedade </p><p>do sistema Ciclo: Processos em que os estados iniciais e finais so idnticos Processo: sucesso de mudanas de estado </p><p>O estado de um sistema real s pode ser determinado quando ele se encontra em equilbrio. </p><p> Como descrever o estado de um sistema durante um processo? </p><p> Processo ideal ou quase-esttico: </p><p>equilbrio termodinmico infinitesimal, ou seja, todos os estados pelos quais o sistema passa podem ser considerados como estados de </p><p>equilbrio </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 5</p><p> Processo isotrmico: processo a temperatura constante Processo isobrico: processo a presso constante Processo isovolumtrico: processo a volume constante Processo adiabtico: processo em que calor no atravessa as fronteiras do sistema </p><p> Processo reversvel: o estado inicial do sistema envolvido pode ser restaurado sem efeitos mensurveis no sistema e na sua vizinhana (processo ideal) </p><p> Processo irreversvel: o estado inicial do sistema envolvido no pode ser restaurado sem efeitos mensurveis no sistema e na sua vizinhana (processo real) </p><p>2.5. Unidades de Massa, Comprimento e Fora Massa: m [Kg] ou [kmol] Comprimento: [m] Tempo: t [s] Fora: F [N] = [kgm/s] (2 Lei de Newton: maF ) </p><p>2.6. Energia Pode ser definida como a capacidade de pruduzir um efeito. Ex. </p><p>Energia potencial intermolecular, energia cintica molecular, energia intermolecular. </p><p>2.7. Massa Especfica e Volume Especfico </p><p>Massa especfica: </p><p>=</p><p> Vm</p><p>VV 'lim [kg/m] </p><p>Volume especfico: </p><p>=1v [m/kg] </p><p>Volume especfico em frao molar: Mvv = [m/kmol] Massa molecular da substncia: M [kg/kmol] </p><p>2.8. Presso Componente normal da fora dividida pela rea </p><p>AF</p><p>p nAA </p><p>=</p><p>lim [Pa] ou [atm], [bar], [psi=lbf/in] </p><p>ALgApmgAp atmatm +=+ Lgppp atm == L altura da coluna de fluido [m] g acelerao da gravidade [m/s] manmetro: mede a presso relativa diferena entre a presso no recipiente e a presso atmosfrica </p><p>Termodinmica Notas de Aula 6</p><p>0</p><p>p</p><p>p</p><p>p</p><p>abs,1</p><p>abs,2</p><p>atm</p><p>Manmetro comump = p - pabs,1 atm</p><p>Manmetro de vcuop = p - p</p><p>atm abs,2</p><p>Barmetro:presso atmosfrica</p><p>p</p><p> Fig. 2-2 Relaes entre as medidas de presso. </p><p>2.9. Igualdade de Temperatura Propriedade de difcil definio. </p><p>Igualdade de temperatura quando dois corpos colocados em contato no apresentam alteraes em qualquer propriedade mensurvel. </p><p>2.10. Lei Zero da Termodinmica Quando dois corpos apresentam a mesma temperatura de um </p><p>terceiro corpo, h igualdade de temperatura entre eles. </p><p>2.11. Escalas de Temperatura CELSIUS: T(C) = T(K) - 273,15 RANKINE: T(R) = 1,8T(K) FAHRENHEIT: T(F) = T(R) - 459,67 </p><p>T(F) = 1,8T(C) + 32 </p><p> Fig. 2-3 Escalas de Temperatura. </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 7</p><p>3. CAPTULO III PROPRIEDADES DE UMA SUBSTNCIA PURA </p><p>O conhecimento do comportamento das substncias atravs de suas propriedades fundamental na anlise de processos e sistemas </p><p>termodinmicos. </p><p>3.1. A Substncia Pura Definio: substncia pura aquela que apresenta composio </p><p>qumica invarivel e homognea. Caractersticas: pode ser encontrada em vrias fases sem </p><p>alterao da composio qumica. Ex.: gua (ar no substncia pura, mas pode ser assim considerado) </p><p> Sistema compressvel simples: consiste de um sistema constitudo por uma substncia compressvel simples. (substncia compressvel: apresenta mudanas significativas na densidade quando a presso varia) </p><p>3.2. Equilbrio de Fases Vapor-Lquido-Slida de uma Substncia Pura </p><p>As figuras abaixo apresentam diagramas esquemticos das relaes entre p, v e T para uma substncia pura. Elas mostram que uma substncia pura pode existir somente na fase de vapor, lquido ou slido em determinadas faixas de temperatura, presso e volume especfico. Para esses diagramas pode-se concluir que: </p><p> O ponto crtico o ponto alm do qual no existe calor latente de vaporizao e nenhuma outra caracterstica relacionada como a mudana de fase. Ponto de inflexo (inclinao nula) na curva de presso; no h um processo de vaporizao a temperatura constante (exemplo: temperatura e presso crticas da gua: 374,14 K e 22,09 kPa) </p><p> Presso, temperatura e volume especfico no ponto crtico so propriedades conhecidas como presso crtica pc, temperatura crtica Tc e volume especfico crtico vc. </p><p> Na regio de lquido-vapor, o vapor de uma mistura em equilbrio chamado vapor saturado e o lquido, lquido saturado. Portanto: Lquido saturado: estado em que uma substncia pura se encontra na fase lquida a temperatura e presso de saturao; Vapor saturado: estado em que uma substncia pura existe como vapor na temperatura de saturao. </p><p> Presso de saturao: presso na qual ocorre a vaporizao de uma substncia pura a uma dada temperatura </p><p> Temperatura de saturao: temperatura na qual ocorre a vaporizao de uma substncia pura a uma dada presso </p><p>Termodinmica Notas de Aula 8</p><p>Curva</p><p> de </p><p>Sublim</p><p>ao</p><p>Curva de Vaporizao</p><p>Curva de </p><p>Fuso</p><p>Lquido</p><p>Slido</p><p>Vapor</p><p>Ponto Crtico</p><p>BA</p><p>TA B</p><p>pA</p><p>T</p><p>pB</p><p>p</p><p>T</p><p>Ponto</p><p> Tr</p><p>iplo</p><p> Fig. 3-1 Diagrama p-T para uma substncia que se expande na </p><p>solidificao. </p><p>Ponto</p><p> Tr</p><p>iplo</p><p>Curva d</p><p>e Fu</p><p>so</p><p>Curva</p><p> de </p><p>Sublim</p><p>ao</p><p>Slido</p><p>Vapor</p><p>T</p><p>Curva de Vaporizao</p><p>Ponto Crtico</p><p>Lquido</p><p> Fig. 3-2 Diagrama p-T para uma substncia que se contrai na </p><p>solidificao. </p><p>As seguintes observaes podem ser feitas a partir das Fig. 3-1 e Fig. 3-2: </p><p> Ponto triplo: ponto no qual as trs fases (slida, lquida e gasosa) podem coexistir em equilbrio (exemplo: temperatura e presso da gua no ponto triplo: 0,01 C e 0,6113 kPa) </p><p> Sublimao: processo no qual uma substncia pura passa diretamente da fase slida para a de vapor </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 9</p><p> Curva de Sublimao: curva ao longo da qual a fase slida pode existir em equilbrio com a fase de vapor </p><p> Vaporizao: processo atravs do qual o fluido passa da fase lquida para a fase de vapor </p><p> Curva de Vaporizao: Curva ao longo da qual a fase lquida pode existir em equilbrio com a fase de vapor </p><p> Fuso: processo atravs do qual o fluido passa da fase slida para a fase lquida </p><p> Curva de Fuso: Curva ao longo da qual a fase slida pode existir em equilbrio com a fase lquida </p><p> Estado A: (Fig. 3-1) lquido sub-resfriado ou lquido comprido Estado B: (Fig. 3-1) vapor superaquecido Superfcies p-v-T: </p><p> Fig. 3-3 Diagrama p-v-T </p><p>para uma substncia que se expande na solidificao </p><p>Fig. 3-4 Diagrama p-v-T para uma substncia que se contrai na </p><p>solidificao. </p><p>Termodinmica Notas de Aula 10</p><p> Diagrama T-v: </p><p>Lquido Vapor</p><p>Ponto CrticoT</p><p>v</p><p>Linh</p><p>as d</p><p>e Pr</p><p>ess</p><p>oCon</p><p>stan</p><p>te</p><p>Mistura Lquido-Vapor</p><p>Linha de Lquido saturado</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p>p &lt; p1 2</p><p>p &lt; p32</p><p>3p &lt; pc</p><p>cp </p><p>p &gt; p4 c</p><p> Fig. 3-5 Diagrama T-v para uma substncia pura. </p><p> Diagrama p-v: </p><p>Lquido Vapor</p><p>Ponto Crtico</p><p>P</p><p>v</p><p>Linhas de Temperatura</p><p>Constante</p><p>Mistura Lquido-Vapor</p><p>Linha de Lquido saturado</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p>T &lt; T1 2</p><p>Tc</p><p>T &lt; T2 c</p><p>T &gt; Tc3</p><p> Fig. 3-6 Diagrama p-v para uma substncia pura. </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 11</p><p> Diagrama T-s: </p><p>LquidoVapor</p><p>Ponto CrticoT</p><p>s</p><p>Linhas de PressoConstante</p><p>Mistura Lquido-Vapor</p><p>Linha de Lquido saturado</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p> Fig. 3-7 Diagrama T-s para uma substncia pura. </p><p> Diagrama h-s: </p><p>Lquido</p><p>Vapor</p><p>Ponto Crticoh</p><p>s</p><p>Linhas de PressoConstante</p><p>Mistura Lquido-Vapor</p><p>Linha de Lquido saturado</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p>Linhas de TemperaturaConstante</p><p> Fig. 3-8 Diagrama h-s (Mollier) para uma substncia pura. </p><p>Termodinmica Notas de Aula 12</p><p> Diagrama h-s: </p><p>Lquido</p><p>Vapor</p><p>Ponto Crticop</p><p>h</p><p>Linhas de PressoConstante</p><p>Mistura Lquido-Vapor</p><p>Linha de Lquido saturado</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p>Linhas de TemperaturaConstante</p><p>Linhas de TemperaturaConstante</p><p> Fig. 3-9 Diagrama p-h (Mollier) para uma substncia pura. </p><p>3.3. Propriedades Indenpendentes de uma Substncia Pura O estado de uma substncia pura simples compressvel definido </p><p>por duas propriedades independentes. </p><p> Fig. 3-10 Entrada de dados para clculo das propriedades </p><p>termodinmicas no software CATT. </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 13</p><p>3.4. Equaes de Estado para a Fase Vapor de uma Substncia Compressvel Pura </p><p> Constantes dos gases: Descobriu-se experimentalmente que, para gases a baixa massa especfica, o comportamento p-v-T aproxima-se de um limite finito quando a presso se aproxima de zero. Este limite conhecido como a constante dos gases: </p><p>=</p><p> TpVR</p><p>p 0lim </p><p> A constante universal dos gases R definida pela relao: 2</p><p>32 ORR = sendo RO2 a constante para o oxignio. O valor de R </p><p>KkmolkJ</p><p>KkmolmkN</p><p>KkmolmNR 3145.83145.85.8314 === </p><p>A relao entre a constante dos gases e a constante universal dos gases dada por </p><p>MRR = </p><p>sendo M o peso molecular da substncia. Para um gs ideal, o comportamento p-v-T pode ser dado por </p><p>1=RTpV</p><p>que pode ser escrito de maneiras alternativas (equao de estado dos gases) </p><p>TRnpV = mRTpV = </p><p>sendo m a massa e n o nmero de moles da substncia. A razo pV/RT para gases reais est relacionada com o fator de </p><p>compressibilidade Z da seguinte maneira </p><p>RTpVZ = </p><p>Para gs ideal, o valor de Z 1. O afastamento de Z em relao a unidade mede o desvio de corpotamento do gs real em relao ao previsto pela equao de estado dos gases ideais. </p><p>3.5. Tabelas de Propriedades Termodinmicas Existem tabelas de propriedades termodinmicas de vrias </p><p>substncias. Elas consistem, principalmente, de uma listagem de valores do volume especfico, entalpia, energia interna e entropia para determinados valores de presso e temperatura. As notaes comumente usadas so as seguintes: </p><p>Termodinmica Notas de Aula 14</p><p>l lquido saturado v vapor saturado lv vaporizao ou evaporao Para o estudo dos diagramas termodinmicos sero usados dados </p><p>disponveis nas seguintes tabelas: Tab. B.1.2 Propriedades termodinmicas da gua. gua saturada. </p><p>Valores em funo de T Tab. B.1.3 Propriedades termodinmicas da gua. gua saturada. </p><p>Valores em funo de p Tab. B.1.4 Propriedades termodinmicas da gua. Vapor </p><p>superaquecido. Tab. B.1.5 Propriedades termodinmicas da gua. Saturao </p><p>slido-vapor. Ttulo: a relao entre massa de vapor e a massa total (lquido </p><p>mais vapor), quando a substncia est no estado de saturao. </p><p>vapliq</p><p>vap</p><p>mmm</p><p>x+</p><p>= </p><p>Como na regio de saturao, todo o lquido est na situao de lquido saturado e todo vapor est na situao de vapor saturado: </p><p>vapvapvapliqliqliq vmVvmV == e </p><p>mV</p><p>mV</p><p>mVv vapliq +== </p><p>vapvap</p><p>liqliq v</p><p>mm</p><p>vmm</p><p>v += </p><p>Introduzindo a definio de ttulo dada acima, o volume especfico pode ser calculado por: </p><p>)()()1( liqvapliqvapliq vvxvvxvxv +=+= vliq volume especfico do lquido saturado [m/kg] vvap volume especfico do vapor saturado [m/kg] A definio de ttulo pode ser utilizada para qualquer propriedade de </p><p>uma substncia na regio de saturao: U = Ul + Uv u=(1-x)ul+xuv u=ul+xulv ul=uv-ul x=(u-ul)/(uv-ul) H = Hl + Hv h=(1-x)hl+xhv h=hl+xhlv hl=hv-hl x=(h-hl)/(hv-hl) S = Sl + Sv s=(1-x)sl+xsv s=sl+xslv sl=sv-sl x=(s-sl)/(sv-sl) </p></li><li><p>Termodinmica Notas de Aula 15</p><p>4. TRABALHO E CALOR </p><p>4.1. Definio de Trabalho O Trabalho W realizado por uma fora F, quando o ponto de </p><p>aplicao da agindo atravs de um deslocamento dx, definido como: </p><p>=2</p><p>1 dxFW </p><p> Trabalho Termodinmico: Do ponto de vista macroscpico da termodinmica, vantajoso relacionar a definio de trabalho com os sistemas, propriedades e processos. Trabalho pode ser, ento, definido da seguinte maneira: um sistema realiza trabalho se o nico efeito sobre o meio puder ser o levantamento de um peso. </p><p> Trabalho realizado pelo o sistema: positivo Trabalho realizado sobre o sistema: negativo </p><p>4.2. Unidades de Trabalho Unidades de Trabalho: 1 J = 1 Nm Trabalho por unidade de massa: </p><p>mWw [kJ/kg] </p><p>4.3. Trabalho Realizado num Sistema Compressvel Simples Devido ao Movimento de Fronteira </p><p>Considere um sistema contendo gs num cilindro conforme a figura abaixo: </p><p>p</p><p>v</p><p>Linha de Vapor saturado</p><p>p</p><p>p</p><p>1</p><p>2</p><p>v1 v2</p><p>Gs</p><p>A</p><p>1</p><p>2</p><p> Fig. 4-1 Exemplo de trabalho efetuado pelo movimento de </p><p>fronteira de um sistema num processo quase-esttico. </p><p>Termodinmica Notas de Aula 16</p><p>Para qualquer pequena expanso em que o gs aumenta o volume em dv, o trabalho realizado pelo gs dado por: </p><p>=2</p><p>1 dVp...</p></li></ul>