Apresentacao.1_Termo.Apda_15.rev.1

TERMODINÂMICA APLICADA

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Ementa_Termodinâmica Aplicada.pdf

DISCIPLINA: Termodinâmica Aplicada Ministrado por: Prof. Roberto de Souza Bueno

Resumo das Qualificações: Eng. Mecânico formação – FEI,

MBA em Gestão Estratégica Empresarial – USP, Inspetor

CWI de Solda no período de 2003 a 2006 – AWS, vasta

experiência prática na área industrial em setores de

qualidade e produtividade; manutenção; logística;

consultor na implantação da série de normas ISO 9000 e

SPIE da NR-13; gestão da qualidade total; inspeção de

equipamentos estáticos: tanques, tubulações, caldeiras e

vasos de pressão; gestão de projetos; treinamento em

gestão empresarial e ensino de graduação universitária.

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DISCIPLINA: Termodinâmica Aplicada

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• Sistema é uma parte especifica do universo a qual reservamos para estudo.

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Copo com gelo, sistema aberto onde ocorre troca de energia e matéria.

Sistema: duas regiões importantes, FRONTEIRA e VIZINHANÇA. • FRONTEIRA : área na qual o sistema esta limitado. • VIZINHANÇA : região que esta além da fronteira.

Nessa região analisamos se a energia é transferida do sistema para a vizinhança ou o contrario, também podemos chamar a vizinhança de ambiente ou exterior. 4

Tipos de Sistema

• Os sistemas termodinâmicos podem ser classificados em três tipos: sistema aberto, sistema fechado e sistema isolado.

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As fronteiras de um Sistema Termodinâmico e sua relação com a energia e a matéria.

Tipos de Sistema • Os sistemas termodinâmicos podem ser classificados em três

tipos: sistema aberto, sistema fechado e sistema isolado.

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Sistema Aberto: pode trocar energia e matéria com a vizinhança. Exemplos: Um copo com água, uma latinha de refrigerante aberta.

Sistema Fechado: temos uma quantidade fixa de matéria que se mantém constante. Esse sistema não permite a troca de matéria com a vizinhança, somente energia. Exemplos: Uma garrafa de refrigerante fechada; um botijão de gás que não esteja sendo usado.

Sistema Isolado: A fronteira do sistema isolado é completamente restritiva à troca de matéria, à variação de volume, e ao calor, não existe contato com o ambiente externo, ou seja, ele não permite troca de matéria e nem troca de energia para a vizinhança. Um sistema perfeitamente isolado só existe teoricamente, na pratica temos sistemas que mantém condições bem próximas a um sistema isolado, exemplo: garrafa térmica fechada com café quente

• Sistema e vizinhança formam o universo.

• Fronteira: separa o sistema da vizinhança.


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VOLUME DE CONTROLE

• A fronteira é a superfície de controle nos sistemas abertos (matéria e energia podem atravessar o volume de controle).

• Depende da conveniência. (o que se conhece do sistema / objetivo da análise

• Pode coincidir com o sistemas.


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Estado e Propriedades de uma Substância.

Fase: uma quantidade de matéria totalmente homogênea

(fase líquida, sólida ou gasosa).

• A fase na qual uma substância se apresenta depende de suas

condições de pressão e temperatura.


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Diagrama de fases da substância. Em um diagrama de fases temos as seguintes transições:

1 – curva de fusão: limita as regiões das fases sólida e líquida

2 – curva de vaporização: limita as regiões das fases líquida e gasosa

3 – curva de sublimação: limita as regiões das fases sólida e gasosa.

Estado: Em cada fase a substância pode existir a várias

pressões e temperaturas.

• O estado de uma fase é identificado por certas

propriedades macroscópicas observáveis com:

• Pressão;

• Temperatura;

• Volume;

• Massa.


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• PROPRIEDADE: características macroscópicas do sistema.

• Cada uma das propriedades (temperatura, pressão, massa)

de uma substância, num dado estado, apresenta somente

um determinado valor.

• Propriedades INTENSIVAS independem da massa (P e T).

• Propriedades EXTENSIVAS dependem da massa (M e V).

𝑃𝐸𝑋𝑇

𝑚 = 𝑃𝐼𝑁𝑇

• ESTADO de EQUILÍBRIO: propriedades têm o mesmo valor

em todo o sistema e não variam com o tempo.


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• EQ. TÉRMICO: mesma temperatura em todo o sistema.

• EQ. MECÂNICO: igualdade de forças opostas

(Pressão?).

• EQ. FASE: não há mudança de fase.

• EQ. QUÍMICO: 𝐴 + 𝐵 ⇌ 𝐶 + 𝐷.

• EQ. TERMODINÂMICO: propriedades termodinâmicas não variam no tempo (ESTADO de EQUILÍBRIO).

UM SISTEMA ISOLADO PODE NÃO ESTAR EM EQUILÍBRIO

(MUDANÇAS INTERNAS ESPONTÂNEAS)


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• MUDANÇA de ESTADO: mudança de pelo menos uma propriedade (valor).

• PROCESSO: Caminho percorrido na mudança de ESTADO.

Se o processo ocorre somente fora do equilíbrio, como descrever o processo?


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R.: Mudanças INFINITESIMAIS de estado (valores das

propriedades) PROCESSOS de QUASE-EQUILÍBRIO.

• Todos os estados entre o ponto inicial e final são

estados de equilíbrio.

E se todos os pesos forem retirados ao mesmo tempo?


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• Processos ISOCÓRICOS, ISOBÁRICOS e ISOTÉRMICOS.

• CICLO: 𝐸𝑖 ⟶ 𝐸𝑓 ⟶ 𝐸𝑖

• Ciclos MECÂNICO e TERMODINÂMICO.


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Fator Prefixo Fator Prefixo

1012 tera(T) 10-3 mili(m)

109 giga(G) 10-6 micro(μ)

106 mega(M) 10-9 nano(n)

103 kilo(k) 10-12 pico(p)

• UNIDADES (massa, comprimento, tempo e força).

• 1 MOL = 6,022 × 1023

Quantidade de átomos em 12g de C-12


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Comprimento 1𝑓𝑡=0,3048𝑚

12 𝑖𝑛=1𝑓𝑡

Massa 1𝑙𝑏𝑚=0,45359237𝑘𝑔

Tempo 1𝑠= 9192631770 ciclos ressonantes do Cs- 133

Força Libra-força(𝑙𝑏𝑓): Eleva 1𝑙𝑏𝑚 até 𝑔=32,1740 ft/𝑠2

Sistema In

glês d

e En

genh

aria

1𝑘𝑔 2 • No SI : 1𝑁= 𝑚

𝑠

PESO e MASSA: Qual a diferença?


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ENERGIA (micro e macro)

•

•

•

Intermolecular (gás ideal) Intramolecular (ee, eN, NN, rot., vib.) Cinética (massa e veloc. das part.)


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VOLUME ESPECÍFICO: volume por unid. de massa.

𝑣 = 𝑉

𝑚

MASSA ESPECÍFICA: massa assoc. à unid. de volume (inverso).

𝜌 = 𝑚

𝑉

𝒗 muda com a gravidade (cte para nós).

Considerando 𝛿𝑉 e 𝛿𝑚,temos: 𝑣 = lim𝛿𝑉→𝛿𝑉´ 𝛿𝑉

𝛿𝑚


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𝛿𝑉→𝛿𝑉´𝛿𝑚 𝑣 = lim

𝛿𝑉


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Exemplo1 : Um recipiente com volume interno de 1𝑚3, contém 0,12𝑚3

de granito, 0,15𝑚3 de areia e 0,2𝑚3 de água líquida a 25ºC. O restante do

volume interno do recipiente (0,53 m3) é ocupado por ar que apresenta

massa específica de 1,15 kg/m3. Determine o volume específico médio e a

massa específica média da mistura do recipiente.

Solução:

As definições de volume específico e massa específica são: v=V/m e =m/V

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Determinar as massas dos constituintes da

mistura usando valores da massa específica nas

tabelas A.3 e A.4 do Apêndice A livro

Fundamentos da Termodinâmica – Shapiro 7a ed.

mgranito=granitoVgranito=2750x0,12=330,0 kg mareia=areiaVareia=1500x0,15=225,0 kg mágua=águaVágua=997x0,2=199,4 kg mar=arVar=1,15x0,53=0,6 kg mtotal=mgranito+mareia+mágua+mar=755,0 kg

Assim o volume específico médio e a massa específica média são:

vgranito=Vtotal/mtotal=1m3/755,0kg=0,001325 m3/kg e =mtotal/Vtotal=755,0kg/1m3=755,0kg/m3

𝛿𝐹 𝑛

𝛿𝐴→𝛿𝐴´ 𝛿𝐴

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•

•

PRESSÃO=força por área (liquídos e gases) e TENSÃO (sólidos).

𝑃 = lim

Pressão num ponto é a mesma em todas as direções.

• No SI: 𝑃𝑎 = 1𝑁 𝑚2

•

•

1 𝑏𝑎𝑟 = 105𝑃𝑎

1 𝑎𝑡𝑚 = 101325 𝑃𝑎

• 𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛 = 6894,757 𝑃𝑎 = 1 𝑝𝑠𝑖

•

•

No equilíbrio: 𝐹𝑒𝑥𝑡 = 𝑃 × 𝐴

Aquecimento move o pistão (P=cte).


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Exemplo 2: A figura abaixo mostra um conjunto clindro-pistão utilizado num sistema hidráulico. O diâmetro do cilindro 𝑫 = 𝟎,𝟏

𝒎 a massa do cojunto pistão-haste é igual a 𝟐𝟓 𝒌𝒈. O diâmetro da haste é 𝟎,𝟎𝟏 𝒎 e a pressão atmosférica é 𝑷𝟎 = 𝟏𝟎𝟏𝒌𝑷𝒂. Sabendo que o conjunto cilindro-pistão está em equilíbrio e que

a pressão do fluido hidráulico é 𝟐𝟓𝟎 𝒌𝑷𝒂, determine o módulo

da força exercida, na direção vertical e no sentido descendente, sobre a haste.

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Solução.

Dados: diâmetro do cilindro 𝑫p=𝟎,𝟏 𝒎; massa=𝟐𝟓 𝒌𝒈 cojunto pistão-haste;

diâmetro da haste 𝑫h =𝟎,𝟎𝟏 𝒎; a pressão atmosférica é 𝑷𝟎=𝟏𝟎𝟏𝒌𝑷𝒂; pressão do

fluido hidráulico 𝑷cil = 𝟐𝟓𝟎 𝒌𝑷𝒂.

Determinar: Força exercida sobre a haste (módulo) Fhaste=?

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Considerando que o conjunto cilindro-pistão está em equilíbrio estático e que as forças

atuam na direção vertical: Fvert=0

Assim a força aplicada na haste é:

As áreas são:

Substituindo os valores encontrados na equação (1) calcula-se o módulo da força:

Eq.(1)

PRESSÃO MANOMÉTRICA (EFETIVA).

𝑃𝑎𝑡𝑚𝐴 + 𝑚𝑔 = 𝑃𝑎𝑡𝑚𝐴 + 𝜌𝐴𝐻𝑔 = 𝑃𝐵𝐴

𝑃𝐵 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝐻𝑔 Pontos A e B tem a mesma elevação.

Se 𝜌𝑔á𝑠 ≪ 𝜌,então 𝑃 ≅ 𝑃 𝐴 ≡ 𝑃𝐵

Daí; 𝑃 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝐻𝑔 Δ𝑃 = 𝑃 − 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 𝜌𝐻𝑔


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PRESSÃO MANOMÉTRICA (EFETIVA).

𝑃𝑎𝑡𝑚 = 𝜌𝑔𝐻0


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Figura 2.4

Exemplo 3: Um barômetro de mercúrio ( =13534kg/m3) está numa sala a 25 ºC e tem uma coluna de 750 mm de altura.

Qual a pressão atmosférica em kPa ?

Patm = gH0=13534x9,81x0,750/1000=99,54 kPa Exemplo 4: Um manômetro de mecúrio é utilizado para medir a pressão num

recipiente mostrado na figura 2.4. O mercúrio apresenta uma massa específica igual a 13590kg/m3. A diferença entre as alturas das colunas foi medida e é igual a 𝟎,𝟐𝟒 𝒎. Qual a pressão no recipiente ? Solução: O manômetro mede a pressão relativa, ou seja, a diferença entre a pressão no recepiente e a pressão manométrica. Deste modo:

P=Pman=Hg

P=13590x0,24x9,81=31,996kPa=0,316atm

A pressão absoluto no recipiente é dada por:

PA= Precipiente=PB=P+Patm

Assumindo - Patm= 750mmHg:

Precipiente P+Patm

P=31996+13590×0,750×9,81=31996+99988=131984 Pa=1,303atm 27

Exemplo 5: Um tanque esférico de diâmetro 7,5 m é utilizado para armazenar

fluidos. Qual a pressão no fundo do tanque quando há:

a) gasolina a 25 ªC com pressão na superfície livre do líquido de 101 kPa e,

b) fluido refrigerante R-134a, cuja pressão na superfície livre do líquido é

1MPa.

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Solução:

Valores das massas específicas dos líquidos.

gasolina=750 kg/m3

R-143a=1206 kg/m3

Diferença de pressão, devida a ação da gravidade pode ser

calculada pela equação:

P=gH;

A pressão no fundo do tanque é:

P=Ptopo+ P;

Tanque com gasolina:

P=101x103+750x9,81x7,5=156181Pa=156,2kPa;

Tanque com fluido R-143a:

P=1,0x106+1206x9,81x7,5=1,0887x106Pa=1089kPa;

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Bibliografia

• PETER ATKINS & LORETA JONES (2001) – Princípios de Química. Bookman. Cap. 6.

• Michael J. Moran, Howard N. Shapiro (2013) – Fundamentos de Termodinâmica Técnica- 7ª Ed. Cap. 2.

• R. E. Sonntag, C. Borgnakke, G. J. Van Wylen (1997) – Fundamentos de Termodinâmica Técnica- 5ª Ed. Cap. 2.

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