TERMODINÂMICA APLICADALEONARDO DE QUEIROZ MOREIRA

Conceitos e definiçõesGOIÂNIA, 29/08/2016.

ObjetivoApresentar os conceitos e definições preliminares utilizadas durante o curso de termodinâmica Aplicada;

Tópicos abordadosUnidades: massa, comprimento, tempo e força

Energia

Volume específico

Pressão

Temperatura

Lei zero da termodinâmica

Tópicos abordadosSistema e volume de controle

Pontos de vista macroscópico e microscópico

Estados e propriedades de uma substância

Processos e ciclos

O que é Termodinâmica?◦ A palavra termodinâmica deriva das palavras gregas therme (calor) e dynamis

(força/potência).

◦ Ciência da energia e da entropia;

Definição alternativa:

◦ Estudo das leis que regem a relação entre calor e outras formas de energia.

◦ Ciência que trata do calor e do trabalho;

TermodinâmicaPor meio de experimentos e do método científico, as descobertas da foram formalizadas através:

◦ Lei zero;

◦ Primeira, segunda e terceira leis da termodinâmica;

O que é Energia?◦ É uma capacidade de causar alguma alteração;

Princípio de conservação de energia: Durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia permanece constante.

A primeira lei da termodinâmica: Uma equação para a conservação da energia.

Aplicações da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica

Aplicações da Termodinâmica

SistemaSistema é usado para definir o objeto em análise que possui uma quantidade de matéria fixa.

Tudo o que é externo ao sistema é chamado de vizinhança ou meio;

A separação entre o sistema e o meio é chamada de fronteiras do sistema;

◦ Repouso;

◦ Movimentando.

Sistema

SistemaCalor e trabalho podem cruzar as fronteiras do sistema;

Sistema isolado: é aquele que não é influenciado pelo meio (vizinhança)

Calor e trabalho não cruzam as fronteiras do ◦sistema;

SistemaAs fronteiras que circundam um sistema podem ser classificadas como:

Adiabáticas: São aquelas onde não há fluxo de calor atravessando.

Diatérmicas: São aquelas onde tem-se uma temperatura descrita e conhecida, sendo uma distribuição linear ou não.

Newmann: São aquelas onde tem-se um fluxo de calor descrito e conhecido, sendo uma distribuição linear ou não.

SistemaFronteiras:

◦ Rígidas: São aquelas que não se deslocam com tempo.

◦ Móveis: São aquelas que se deslocam com tempo.

Volume de controle

Volume de controle: Uma região devidamente selecionados no espaço.

É geralmente envolve um dispositivo que envolve o fluxo de massa, tal como um compressor, turbina, ou bocal.

A superfície desse volume é denominada superfície de controle;

Volume de controle

Volume de controle

Sistema e Volume de controleOutras denominações:

Sistema fechado = sistema –> massa fixa;

Sistema aberto = volume de controle –> fluxo de massa;

Macroscópico e MicroscópicoAbordagem macroscópica ou Termodinâmica Clássica;

Efeitos totais ou efeitos médios de uma porção de moléculas;

Sob o ponto de vista macroscópico, não interessa a ação isolada de umapartícula, e sim, nos efeitos médios de várias moléculas;

Pressão: força média em relação ao tempo, que atua sobre uma certa área epode ser medida por um manômetro.

Macroscópico e MicroscópicoAbordagem microscópica ou Termodinâmica estatística;

O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio daspartículas que compõem o sistema de interesse e relacionar essa informaçãocom o comportamento macroscópico observado do sistema.

Macroscópico e MicroscópicoExemplo do ponto de vista microscópico

Sistema com gás monoatômico, a pressão e temperatura atmosféricas,contidos em um recipiente cúbico com arestas de 25mm.

Este sistema possui aproximadamente 1020 átomos;

O comportamento desde sistema pode ser determinado por:

3 coordenadas (x,y,z) para representar as posições de cada átomo;

3 variáveis para descrever o vetor velocidade (u,v,w) de cada átomo;

6 equações/átomos, são 1020 átomos totaliza-se 6.1020 equações para seremresolvidas.

Macroscópico e MicroscópicoAbordagem estatística:

Considerações estatísticas;

Teoria da probabilidade;

Modelo de molécula.

É estudada pela teoria cinética e mecânica estatística.

Meio contínuoA matéria é feita de átomos que são amplamente espaçados em fase gasosa. No entanto, é muito conveniente para desconsiderar a natureza atômica de uma substância e vê-lo como uma porção contínua e homogênea (sem espaços), ou seja, um meio contínuo.

A hipótese de contínuo -> permite assumir as propriedades variam continuamente no espaço sem descontinuidades ou variações abruptas.

Validade -> o tamanho do sistema é grande em relação ao espaço entre as moléculas.

Estado e propriedade de uma substânciaFase: é uma quantidade de matéria totalmente homogênea;

Em cada fase as substâncias podem existir a várias pressões e temperaturas;

Exemplo: Água -> fase sólida, fase líquida e fase gasosa.

Estado e propriedade de uma substânciaPropriedade é uma característica de um sistema para as quais um valor numérico pode ser atribuído em um instante de tempo sem o conhecimento do comportamento prévio (história ou caminho) do sistema.

Ex.: Massa, volume, energia, pressão e temperatura.

Propriedade específica: é a propriedade por unidade de massa.

Ex. Volume específico: V

vm

Estado e propriedade de uma substância

Propriedades termodinâmicas

Propriedades intensivas

independente da massa;

Propriedades extensivas

varia diretamente com a massa;

Estado e propriedade de uma substânciaSe uma quantidade de matéria, em um dado estado, for dividida em duas partes iguais:

As propriedades intensivas permanecem com mesmo valor;◦

As propriedade extensivas tem o valor reduzido pela metade;◦

Estado e propriedade de uma substânciaExemplo de propriedades:

◦ As propriedades intensivas -> Temperatura; Pressão; Massa específica;

◦ As propriedade extensivas -> Massa; Volume total.

Estado e propriedade de uma substânciaEstado refere-se à condição de um sistema descrito por suas propriedades.

◦ Temperatura, pressão e massa específica, entalpia, entropia...

Cada uma das propriedades de uma substância apresentam somente um determinado valor para um dado estado, independentemente da forma pela qual a substância chegou até ele.

Estado e propriedade de uma substânciaA termodinâmica clássica enfatiza principalmente os estados de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro.

Estado de equilíbrio: é um estado que não existem potenciais desequilibrios dentro do sistema (forças motrizes).

Estado e propriedade de uma substânciaQuando um sistema é isolado seu estado pode mudar como consequência de eventos espontâneos que estejam ocorrendo internamente, a medida que suas propriedades, tendam a valores uniformes.

Quando todas essas mudanças ◦cessam o sistema esta em equilíbrio.

Estado e propriedade de uma substânciaEquilíbrio térmico: variação da temperatura é nula em todo o sistema;

Equilíbrio mecânico: variação da pressão é nula em todo o sistema.

Equilíbrio de fase: se o sistema contém duas fases e a massa de cada uma das fases alcança o equilíbrio e não se altera mais.

Equilíbrio químico: Se a composição química de um sistema não se altera com o tempo, isto é, não há reações químicas ocorrem.

Estado e propriedade de uma substânciaQuando um sistema está em equilíbrio, em relação a todas as possíveis mudanças de estados ->> Sistema está em equilíbrio termodinâmico.

Propriedades de um sistema em equilíbrio, i.e., implica que o valor da propriedade tem significância para todo o sistema.

Estado e propriedade de uma substânciaQuando, pelo menos, uma propriedade se altera em um sistema ocorreu uma mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo.

Processos e ciclosCaminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre é chamado processo;

Para descrever um processo completamente, deve-se especificar os estados inicial e final, bem como o caminho que se segue, e as interações com o ambiente.

Processos e ciclosProcesso ideal ou de quase-equilíbrio: desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal.

Todos os estados pelos quais o sistema passa pelo processo podem ser considerados estados de quase-equilíbrio;

Processos e ciclosProcesso de não-equilíbrio: mudança rápida de estados;

Ficamos limitados a avaliação do sistema antes e após ocorrer o processo;

◦ Efeitos globais.

Processos e ciclosDiagramas de processo são representados graficamente pela utilização de propriedades termodinâmicas como eixos coordenadas são muito úteis em visualizar os processos.

Processos e ciclosProcessos:◦ Isotérmicos - a temperatura permanece constante durante o processo;

◦ Isobárico - a pressão permanece constante durante o processo;

◦ Isocórico, isovolumétrico - o volume permanece constante durante o processo;

Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por um certo número de processos e finalmente retorna ao estado inicial, diz que o sistema executou um ciclo. T1 ,P1

T2 , P2T3 , P3

Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema InternacionalTempo:

◦ Unidade padrão: segundo – “s”;

◦ 1 s: tempo requerido para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclo do ressonador que utiliza um feixe de átomos de césio-133

◦ Minuto (min), hora (h) e dia (dia)

Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema InternacionalComprimento:

Unidade padrão: metro – “m”;

1 m: comprimento da trajetória percorrido pela luz no vácuo durante o intervalo de tempo de 1/299.792.458 s

Massa:

Unidade padrão: quilograma – “kg”;

1 kg: massa de um determinado cilindro de platina-irídio, mantido sob condições preestabelecidas no Escritório Internacional de Pesos e Medidas em Sevres, França.

Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema Internacional

Mol• ou mole: quantidade de substância que contém tantas partículaselementares quanto existem átomos em 0,012 kg de carbono-12. Porexemplo: 1 mole de oxigênio diatômico tem peso molecular de 32 e umamassa de 0,032 kg.

kilomol• : quantidade da substância, em quilogramas, numericamenteigual ao peso molecular;

Unidade de massa, comprimento, tempo e força – Sistema Internacional

Força•

Definida a partir da segunda lei de Newton:

F=◦ m.a

Unidade padrão no sistema internacional é o Newton “N”;

1 N: Força necessária para acelerar uma massa de 1 kg a razão de 1 m/s2

1 ◦ N = 1 kg m/s2

Unidade de massa, comprimento, tempo e força –Sistema Internacional

Volume específico e massa específicaConsiderando um pequeno volume de um sistema e considerando a massadesse sistema, o volume específico é definido como:

onde é o menor volume no qual o sistema pode ser considerado comoum meio contínuo.

'limV V

Vv

m

'V

Volume específico e massa específica

Volume específico e massa específica• Volume específico : volume ocupado pela unidade de massa;

• Unidade padrão no SI: é m3/kg; é kg/m3;

• Obs: para volumes outra unidade utilizada é o litro (L), 1L=10-3 m3.

Volume específico e massa específicaMassa específica: massa associada a unidade de volume, ou o

inverso do volume específico:

1

EnergiaDefinição: capacidade de se produzir um efeito;

◦ Pode ser acumulada em um sistema;

◦ Pode ser transferida de um sistema para outro;

EnergiaA energia total de um sistema pode ser definida por:

Em que:

U - Energia interna;

Ec - Energia cinética;

Ep – Energia Potencial

c pE U E E

EnergiaExemplo:

Macroscopicamente o que importa é a quantidade de calor que está sendo transferida;

Mudança das propriedades: temperatura e pressão;

Traçar o Gráfico Temperatura por tempo.

PressãoPressão é definida como a componente normal da força por unidade de área;

Em um fluido em repouso, a pressão é igual em todas as direções

'lim n

A A

Fp

A

Pressão• Unidade no SI: Pascal (Pa): 1 Pa = 1N/m2

• Atmosfera padrão: 1 atm = 101.325 Pa

• 1 bar = 100.000 Pa = 0,1 Mpa

• No sistema inglês: lbf/in2 ou psi:

• 1 psi = 6.894,757 Pa

Pressão

• Pressão absoluta: Pabs

• Pressão atmosférica: Patm

• Pressão manométrica ou efetivaΔP = Pabs - Patm

Medidores de Pressão

atmp p gL

atm vapor mp p gL

a bp p

a bp p

Pressão

PressãoUm manômetro de mercúrio é utilizado para medir pressão no recipiente mostrado abaixo. Massa específica do mercúrio é 13.590 kg/m3 e a diferença entre as alturas é igual a 0,24 m. Determine a pressão no recipiente. Para determinar a pressão atmosférica foi usado um barômetro com uma altura de 750 mm mercúrio.

Pressão

Pressão absoluta

3 2

2

13590 0,24 9,81

31996 31996 31,996

manométrica

kg mp p Hg m

m s

kgPa kPa

m s

31996 (13.590 0,750 9,81)

131.984 1,303

Hg

abs atm

Patm H g

p P p

Pa Pa

Pa atm

TemperaturaO conceito de temperatura se origina das nossas percepções sensoriais;

Noções de corpo ◦ “quente” ou “frio”;

Usamos o sentido do tato para distinguir corpos quentes de frios;◦

Escala em função da ordem em que ele ◦ é “mais quente”...

TemperaturaConsidere dois blocos de cobre A e B, e suponha que nosso sentido nos diga que o A é mais quente do que o B.

Se os blocos fossem colocados em contato e ◦isolados de suas vizinhanças;

Após um tempo...◦

Os blocos quando sujeitos ao tato produziriam a ◦mesma sensação térmica.

TemperaturaOs blocos possuem uma propriedade física que determina se eles estão em equilíbrio térmico. Essa propriedade é chamada temperatura

Quando os dois blocos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são ◦iguais.

Lei zero da termodinâmica.

Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si.

TemperaturaTermômetros

TemperaturaTodas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de água:

TemperaturaTodas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de água:

Ponto de congelamento (solidificação): ◦ uma mistura de gelo e de água que está em equilíbrio com ar saturado com vapor a pressão de 1 atm (0 °C).

Ponto de ebulição (vapor):◦ Uma mistura de água líquida e de vapor de água (sem ar) em equilíbrio a pressão de 1 atm (100 °C).

Comparação entre as escalas de temperaturaNo SI é o grau Celsius (ºC)

No sistema inglês é o Fahrenheit (ºF)

Escala absoluta:

Kelvin (K)◦

Rankine (R) ◦

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDado: enuncie de forma sucinta o que se conhece.

Pede-se: enuncie concisamente, o que deve ser determinado.

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDiagrama Esquematico e Dados Fornecidos: desenhe um esboço do sistema a ser considerado. Decida se utilizará:

sistema ◦

volume de controle◦

Identifique cuidadosamente a fronteira.

Adicione ao diagrama informações do enunciado do problema que sejam relevantes.

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaDiagrama Esquematico e Dados Fornecidos:

Liste todos os valores de propriedades que são fornecidos ou antecipe aqueles que podem ser necessários para cálculos subsequentes.

Esboce diagramas de propriedades apropriados, localizando postos-chaves de estado e indicando, se possível, os processos executados pelo sistema.

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaModelo de Engenharia: liste todas as hipóteses simplificadoras e as idealizações feitas a fim de tornar o problema viável.

Algumas vezes essa informação pode ser adicionada aos esboços do passo anterior. O desenvolvimento de um modelo apropriado é um aspecto-chave para o sucesso da solução do problema.

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaAnalise: usando as hipóteses e idealizações adotadas, simplifique as equações de governo e as relações adequadas, colocando as nas formas que irão produzir os resultados desejados.

É aconselhável trabalhar com as equações o máximo possível antes de substituir os dados numéricos.

Realize, então, os cálculos necessários.

Metodologia para a Solução de Problemas de TermodinâmicaFinalmente, avalie se as magnitudes dos valores numéricos são razoáveis e se os sinais algébricos associados aos valores numéricos estão corretos.