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Termodinâmica
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2. Conceitos e definições preliminares
2.1. Sistema termodinâmico e volume de controle 2.2. Estado e propriedades de uma substância 2.3. Processos e ciclos 2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.5. Energia 2.6. Volume específico
2.7. Pressão 2.8. Igualdade de temperatura 2.9. Lei zero da termodinâmica 2.10. Escalas de temperatura
2.1. Sistema termodinâmico e volume de controle
2.1.1. Sistema
Figura 1. Exemplo de um sistema. Fonte: Van Wylen, 1995.
2.1. Sistema termodinâmico e volume de controle
2.1.2. Volume de Controle
Figura 2. Exemplo de um volume de controle. Fonte: Van Wylen, 1995.
2.2. Estado e propriedades de uma substância 2.2.1. Estado
Uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea. Em cada fase,
a substância pode ser observada a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da
termodinâmica, em vários estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas
propriedades macroscópicas observáveis, cujas mais familiares são: temperatura, pressão e massa
específica.
2.2. Estado e propriedades de uma substância 2.2.2. Propriedades
Uma propriedade pode ser definida como uma quantidade (grandeza) que depende do estado
do sistema e é independente do caminho pelo qual o sistema chegou no estado considerado. Do
mesmo modo, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades da substância. As
propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as
extensivas.
2.2.2.1. Propriedades intensivas
Uma propriedade intensiva é independente da quantidade de massa da substância avaliada:
- Pressão
- Temperatura
- Massa específica
2.2.2.2. Propriedades extensivas
Uma propriedade extensiva é dependente da quantidade de massa da substância avaliada:
- Massa total
- Volume total
Obs.: As propriedades extensivas por unidade de massa (específicas), tais como volume
específico, são propriedades intensivas.
2.3. Processos e ciclos 2.3.1. Processo
Quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema se altera, diz-se que ocorreu
uma mudança de estado. Como exemplo, quando se remove um dos pesos sobre o êmbolo, este
se eleva e uma mudança de estado ocorre, pois a pressão decresce e o volume específico
aumenta. O caminho definido pela sucessão de estados, através dos quais o sistema percorre, é
chamado de processo.
Processo ideal (quase-equilíbrio) é aquele em que o desvio termodinâmico é infinitesimal e
todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como
estados de equilíbrio. Muitos dos processos reais podem ser modelados, com boa precisão, como
processos de quase-equilíbrio.
2.3. Processos e ciclos 2.3.1. Processo
Isotérmico: é um processo a temperatura constante.
Isobárico: é um processo a pressão constante.
Isocórico: é um processo a volume constante.
2.3. Processos e ciclos 2.3.2. Ciclo
Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por um certo número de mudanças de
estado ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executa um
ciclo. Deste modo, ao final do ciclo, todas as propriedades tem o mesmo valor inicial. Por
exemplo, a água que circula em uma instalação termoelétrica a vapor, executa um ciclo.
2.3. Processos e ciclos 2.3.2. Ciclo
Figura 3. Ciclo de Rankine. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAC1EAA/ciclo-rankine
2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.4.1. Massa
SI – [kg]
Sistema Inglês – [lbm]
Conversão:
1,0 lbm = 0,45359237 kg
2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.4.2. Comprimento
SI – [m]
Sistema Inglês – [ft]
Conversão:
1,0 ft = 0,3048 m
Obs.: A polegada (in) é definida em termos do pé, por:
12,0 in = 1,0 ft 1,0 in = 0,0254 m = 25,4 mm
2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.4.3. Tempo
SI – [s]
Conversão:
1 min = 60 s
1 h = 3600 s
2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.4.4. Força
SI – [N]
Sistema Inglês – [lbf]
Conversão:
1,0 lbf = 4,448222 N
2.4. Unidades de massa, comprimento, tempo e força 2.4.5. Prefixos no SI
Tabela 1. Prefixos das unidades do SI.
Fonte: Van Wylen, 1995.
2.5. Energia
A energia tem sido definida como a capacidade de se produzir um determinado efeito. É
importante notar que a energia pode ser acumulada em um sistema e pode ser transferida, por
exemplo, como o calor, de um sistema para outro sistema. No estudo da termodinâmica
estatística, analisa-se, do ponto de vista microscópico, os modos em que a energia pode ser
acumulada. Para isto, considere como sistema um gás, a uma dada pressão e temperatura, contido
em um vaso de pressão. Do ponto de vista molecular, tem-se:
a) Energia potencial intermolecular: associada às forças entre as moléculas;
b) Energia cinética molecular: associada à velocidade de translação das moléculas;
c) Energia intramolecular: associada com a estrutura molecular e atômica.
2.5. Energia
Sob o ponto de vista macroscópico, avaliando-se um processo de aquecimento da água
contida em um recipiente, neste caso, o interesse se concentra na quantidade de calor que está
sendo transferida, bem como na mudança nas propriedades da água, por exemplo: pressão,
temperatura e a quantidade de energia que a água contém a cada instante, com relação a algum
estado de referência.
Figura 4. Transferência de calor para a água. Fonte: Van Wylen, 1995.
2.6. Volume específico
𝑣 = lim┬𝛿𝑉 → 𝛿𝑉′ (𝛿𝑉/𝛿𝑚 )
2.7. Pressão
𝑝 = lim┬𝛿𝐴 → 𝛿𝐴′ (𝛿𝐹↓𝑛 /𝛿𝐴 )
Figura 5. Correlação entre as medidas de pressão. Fonte: Van Wylen, 1995.
2.8. Igualdade de temperatura
Estamos acostumados a noção de “temperatura”, antes de mais nada, pela sensação de calor
ou frio quando tocamos um objeto. Com isso, quando se coloca um corpo quente em contato com
um corpo frio, o corpo quente se resfria e o corpo frio se aquece, até atingirem o equilíbrio
térmico.
Figura 6. Fluxo de calor. Fonte: http://www.mundoeducacao.com/fisica/temperatura-calor.htm
2.9. Lei zero da termodinâmica
A lei zero da termodinâmica diz que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com
um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperaturas entre si. Esta lei constitui a base para a
medição da temperatura, como exemplo, sempre que um corpo estiver em igualdade de
temperatura com um termômetro, pode-se afirmar que a temperatura do corpo corresponde à
temperatura lida no termômetro.
2.10. Escalas de temperatura
Figura 7. Escalas de temperatura. Fonte: https://www.nc-climate.ncsu.edu/edu/k12/.Temperature
2.10. Escalas de temperatura
𝑇(℉) = 1,8 𝑇(℃) + 32
𝑻(𝑲) = 𝑻(℃) +𝟐𝟕𝟑,𝟏𝟓
