Estudo Dirigido Atividade i

8/18/2019 Estudo Dirigido Atividade i

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECAProfessor Célio Rútilo Gonçalves Guia Marques

Aula Estudo dirigido para Atividade Obrigatória IMÁQUINAS TÉRMICAS Modulo II

Professor Célio Rútilo Gonçalves Guia Marques.

EMENTÁRIO ORIENTADORTermodinâmica Aplicada: Introdução conceitos básicos, calor, energia temperatura e suasescalas trabalho e energia,

Introdução

A Termodinâmica clássica é o ramo da física que estuda as relações entre

calor, temperatura, trabalho e energia.

Com a descoberta de meios para utilização de fontes de energia diferentes

da que os animais forneciam foi o que determinou a possibilidade da revolução

industrial.

A energia pode se apresentar na natureza sob diversas formas, mas, exceto

no caso da energia hidráulica e dos ventos, deve ser transformada em trabalho

mecânico por meio de máquinas, para ser utilizada pelo homem.

A termodinâmica nasceu justamente dessa necessidade, e foi o estudo de

máquinas térmicas que desenvolveu seus princípios básicos.

Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de

equilíbrio ou próximas dele.

Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria

com o ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito

pela especificação de suas propriedades, como pressão, temperatura ou

composição química.

Se as variáveis termodinâmicas são alteradas (por exemplo, se o sistema

passa a poder se expandir), então essas propriedades se modificam.

A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e

prever as condições de equilíbrio do sistema.


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Termodinâmica Do Grego : THEME - CALOR ramo da Física e da

Engenharia; DYNAMIS – FORÇA.

Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é conhecida vem

desde a Antigüidade, seu estudo formal começou no século XIX, motivado pela

utilização do CALOR como força motriz.

Atualmente: espectro bastante abrangente, como ciência da ENERGIA e

das relações entre as PROPRIEDADES da matéria.Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos

Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer

relações entre as propriedades da matéria.

Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a

vizinhança.

A relação seguinte mostra algumas áreas de aplicação da

Termodinâmica na Engenharia:

Motores de automóveis, Turbinas , Bombas e Compressores , Usinas

Térmicas (nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte

térmica), Sistemas de propulsão para aviões e foguetes, Sistemas de combustão,

Sistemas criogênicos, separação de gases e liquefação , Aquecimento, ventilação e

ar condicionado, Refrigeração (por compressão de vapor , absorção ou adsorção) ,

Bombas de calor , Sistemas energéticos alternativos , Células de combustível ,

Dispositivos termoelétricos e termo iônicos , Conversores magnéton

hidrodinâmicos (MHD) , Sistemas de aproveitamento da energia Solar para

aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica , Sistemas Geotérmicos,

Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das marés),

Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica) , Aplicações biomédicas:,

Sistemas de suporte à vida , Órgãos artificiais.


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CONCEITOS BÁSICOS

Calor – É a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da

diferença de temperatura entre eles.

Ciclo – Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas

transformações e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial é

idêntico ao estado final após as transformações sofridas.

Energia – É a capacidade de produzir trabalho.O estado de um sistema ser transformado pela adição ou extração de

energia.

Calor e trabalho são diferentes formas de energia em trânsito, não são

contidos em nenhum sistema.

Tanto o calor como o trabalho são funções do caminho e dependem,

portanto do processo (Eles não são propriedades ou sistemas).

Energia, calor e trabalho são expressos em joules (J) = Newton. m (Nm)

Energia mecânica –

Entropia – Entropia indica o grau de desorganização do universo. Faz

considerações sobre o grau de liberdade das moléculas (átomos)

Estado – o estado de um sistema é a sua condição a qual é definida por suas

propriedades.Grandeza específica – é quando a grandeza é relacionada à unidade de

massa.


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Processo – é uma transformação ou série de transformações no estado do

sistema.

Processo Reversível – Um processo é reversível se o sistema e sua

vizinhança podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reversão do

processo. Um processo reversível em uma máquina com escoamento somente é

possível quando há ausência de atrito no fluído e transferência de calor com

diferenças de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo idealsomente serve como referência na comparação com processos reais equivalentes.

Processo irreversível – No irreversível o estado inicial não é atingido pela

reversão do processo.

Como sempre há atrito e as diferenças de temperatura são finitas todos os

processos reais são irreversíveis.

Processo Adiabático – Quando não há transferência de calor entre o sistema

e a vizinhança durante o processo.– Sistema é isolado

– Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhança na mesma proporção do

sistema

– Executa o processo rapidamente.

Sistema – um conjunto arbitrário de matéria tendo uma fixada identidade.

– fora do sistema têm-se a vizinhança

– a interface entre sistema/vizinhança chama-se fronteira

Sistema fechado – quantidade fixada de matéria – não há fluxo de matéria –

há troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pistão).

Sistema aberto – há um fluxo contínuo de matéria através das fronteiras –

volume de controle (superfície de controle). A quantidade da matéria ocupando o

volume de controle varia com o tempo!

Temperatura – É a medida do potencial térmico do sistema. Identifica,

portanto, o estado do sistema.


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Trabalho – É aquilo que o sistema transfere à sua vizinhança quando suasfronteiras são deslocadas pela ação de uma força.

Trabalho = forma x distância (na direção das forças).

Resfriamento: Tudo aquilo que conseguimos resfriar até a temperatura

ambiente. Ex: Uma xícara de café quente em cima da mesa.

Refrigeração: Tudo aquilo que conseguimos resfriar abaixo da temperatura

ambiente. Ex: Uma geladeira residencial.

Leis Principais da Termodinâmica

A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm

igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de

temperatura entre si.

Esta lei é a base para a medição de temperatura.

Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processosde conversão de energia.

É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora

familiar, : "A energia do Universo é constante".

A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de

processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas

não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte

maneira:

"A entropia do Universo tende a um máximo".

A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto

para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima

e mínima energia.

Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero

absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como acombustão, por exemplo


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Sistema Termodinâmico e o Volume de Controle

Um sistema termodinâmico é definido como uma quantidade de matéria,

com massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida. Tudo o que é

externo ao sistema é denominado meio ou vizinhança.

O sistema é separado da vizinhança pelas fronteiras do sistema e essas

fronteiras podem ser móveis ou fixas.

Fonte: aula do Professor no Blog Achei a Matéria

Quando temos situações onde há escoamento de massa para dentro e/ou

para fora do equipamento em estudo, o procedimento para realizar a análise

termodinâmica consiste em especificar um volume de controle que envolve a

região a ser considerada.

A superfície desse volume de controle é chamada superfície de controle.


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Processos e Ciclos

Quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema é alterado,

dizemos que ocorreu uma mudança de estado.

O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema

percorre é chamado de processo.

Alguns processos apresentam denominação própria pelo fato de que uma

propriedade se mantém constante. A saber:

Processo isotérmico => temperatura constante

Processo isobárico => pressão constante

Processo isocórico => volume constante

Quando um sistema, num dado estado inicial, passa por um certo número

de mudanças de estado, ou processo, e finalmente retorna ao estado inicial,

dizemos que o sistema executa um ciclo termodinâmico.

Desta forma, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam osmesmos valores iniciais.

Quando um sistema, num dado estado inicial, passa por um certo número

de mudanças de estado, ou processo, e finalmente retorna ao estado inicial,

dizemos que o sistema executa um ciclo termodinâmico.

Desta forma, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam os

mesmos valores iniciais.

Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Força no Sistema

Internacional (SI)

Tempo => segundos => s

Comprimento => metros => m

Força => Newton => N


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Pela segunda Lei de Newton, F = m · a

assim 1 N = 1 kg.m /s2

Massa => quilograma => kg

Prefixos das unidades no SI:

O termo “peso” está associado a força com que o corpo é atraído pelaTerra. Assim, P = F = m.g

Onde, m = massa em kg e g= aceleração da gravidade em m/s2.

Igualdade de Temperatura

É difícil encontrar uma definição exata para a propriedade temperatura.

Por esta razão definimos igualdade de temperatura.

Dizemos que dois corpos possuem igualdade de temperatura se não

apresentarem alterações, em qualquer propriedade mensurável, quando colocados

em contato térmico.


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Escalas de Temperatura

A escala utilizada para medir temperatura no sistema de unidades SI é a

Celsius, cujo símbolo é °C.

Na escala Celsius zero é atribuído para a temperatura do gelo fundente e o

cem para a temperatura da água em ebulição, na pressão atmosférica padrão

(101.325 Pa).

Para completar a definição dessa escala termométrica, é só graduar o

intervalo entre 0 e 100 em cem partes iguais. Cada divisão corresponde a 1°C.

Outra escala de temperatura que ainda é usada em países de língua inglesa

é a escala Fahrenheit em que o valor de 32°F corresponde ao gelo fundente e o

valor de 212°F para a temperatura da água em ebulição, na pressão atmosférica

padrão.

O intervalo é dividido em 180 partes, cada uma correspondente a 1°F.

Para conversão entre estas duas escalas escala de temperatura podemosempregar a equação,

TC / 5 = ( TF – 32) / 9


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ESCALA ABSOLUTA

Outra escala de temperatura é a escala absoluta, também chamada de

escala Kelvin.

Nesta escala 273,15 K corresponde ao gelo fundente e o valor de 373,15 K

corresponde a temperatura da água em ebulição.

Para a conversão entre a escala Celsius e a escala Kelvin podemos empregar

a seguinte relação,

Calor específico (c)

Calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para

elevar a temperatura de uma unidade de massa desta substância em um grau.

Matematicamente, podemos expressar a relação entre o calor específico de

uma substância de massa “m” e a quantidade de calor necessária para elevar sua

temperatura de ∆t., como:

Unidade de calor específico no SI => J / kg.°C

Outra unidade bastante empregada é a cal/g.°C.

A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186 J

O produto do calor específico de uma substância pela sua massa (m.c) é

conhecida como a sua capacidade térmica (C).

C = m . c


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Unidade de capacidade térmica no SI => J /°COutra unidade bastante empregada é a cal/°C.

Quando misturamos objetos a diferentes temperaturas eles trocam calor

entre si até que suas temperaturas se igualem, isto é, eles atingem o equilíbrio

térmico.

Se não houver perdas para o exterior (ou se ela for desprezível)

consideramos o sistema isolado.

Neste caso, a quantidade de calor cedida por um dos objetos é igual a

recebida pelo outro.

Matematicamente podemos expressar a relação entre as quantidades de

calor como:

Qcedido + Qrecebido = 0

Para que o estudo de trocas de calor seja realizado com maior precisão,

este é geralmente realizado dentro de um aparelho chamado calorimetro, que

consiste em um recipiente fechado incapaz de trocar calor com o ambiente.

MEDIÇÃO EXPERIMENTAL DE TEMPERATURA



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Temperatura

É uma propriedade como pressão e volume.

Difícil definir rigorosamente (energia cinética das moléculas de um gás

perfeito).

Assim como a força, o conceito de temperatura é originado de nossa

percepção sensorial.

Conseguimos distinguir que um corpo 1, está mais quente que um corpo 2, e

este mais quente que um corpo 3, etc.

No entanto por mais sensibilidade que o corpo humano possa ter, ele não

consegue medir o valor dessa propriedade.

Dessa forma é necessário lançar mão de dispositivos adequados

(termômetros) e escalas de temperatura para quantificar adequadamente esta

propriedade.

Equilibrio Térmico

Assim como Massa, Comprimento e Tempo, é difícil dar uma definição de

temperatura em termos de conceitos independentes ou aceitos como primários.

No entanto é possível se chegar a um entendimento objetivo da

IGUALDADE de temperaturas usando o fato de que quando a temperatura de um

corpo muda, outras propriedades também mudam.

Dessa forma a medida de uma dessas propriedades, como volume,

resistência elétrica, pode ser associada a uma dada temperatura.

O dispositivo que efetua essa medida é o termômetro.

Se tomarmos dois blocos de cobre, um mais quente que o outro e

colocarmos os dois em contato, haverá interação entre eles e o bloco mais quente

irá esfriar e o mais frio irá se aquecer.


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Quando as interações cessarem as quantidades mensuráveis pararão de

variar e os blocos estarão em equilíbrio térmico e portanto à mesma temperatura.

O tempo necessário para que o equilíbrio seja atingido dependerá do

contato entre eles, e se os blocos estiverem isolados do ambiente a troca de energia

ocorrerá somente entre os dois blocos.

Termômetros São dispositivos que empregam uma substância ("termométrica") que

possui pelo menos uma propriedade variável com a temperatura.

Tipos:

Líquido em bulbo (volume): muito preciso;

Gás a volume constante (hidrogênio ou hélio) (pressão): padrão

internacional para determinadas faixas de temperatura;

Termopares (fem - força eletromotriz);Termistores (resistência elétrica);

Pirômetros (radiação térmica).


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Escala de Temperatura de Gás e Escala Kelvin (SI)

Ponto fixo padrão: ponto triplo da água (equilíbrio entre gêlo, água e vapor

d'água) = 273,16 K (pressão = 0,6113 Pa = 0,006 atm).

Estabelecido por acordo internacional - facilmente reprodutível.:

Ponto de gelo (equilíbrio entre gelo, água e ar a 1 atmosfera): 273,15 K.

Ponto de vapor (equilíbrio entre a água líquida e seu vapor a 1 atm.):

373,15K.Intervalo entre ponto de gelo e ponto de vapor = 100 K.

Termômetro de gás não pode ser usado abaixo de 1 K e para temperaturas

muito altas. Fora daí, as escalas de gás e Kelvin coincidem.

Outras Escalas

CELSIUS T(ºC) = T(K) - 273,15

RANKINE T(ºR) = 1,8.T(K)

FAHRENHEIT T(ºF) = T(ºR) - 459,67T(ºF) = 1,8.T(ºC) + 32


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Metodologia Para Resolver Problemas Termodinâmicos

Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são:

Definição do sistema;

Identificação das interações relevantes com a vizinhança.

Estabelecer:

O que é conhecido: resumir o problema em poucas

palavras;

O que é procurado: resumir o que é procurado;

Esquema e dados:

definir o sistema (sistema fechado ou volume de controle); -

identificar a fronteira;

Anotar dados e informações relevantes;

Hipóteses;

Análise: feita sobre as equações (conservação da massa, conservação

da energia, segunda lei da termodinâmica);

Comentários: interpretar.


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ESTUDO DE CASO

Conversões entre escalas

1- Para que seja possível expressar temperaturas dadas em uma certa escala

para outra qualquer deve-se estabelecer uma convenção geométrica de

semelhança.

Por exemplo, convertendo uma temperatura qualquer dada em escala Fahrenheit

para escala Celsius:


Pelo princípio de semelhança geométrica:


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ESTUDO DE CASO

Conversões entre escalas

2- Qual a temperatura correspondente em escala Celsius para atemperatura 100°F?

3- Da mesma forma, pode-se estabelecer uma conversão Celsius-Fahrenheit:

4- E para escala Kelvin:



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ESTUDO DE CASOEscala de Temperaturas

Julgue as afirmações abaixo:

I – A escala Celsius atribui 0° para o ponto de fusão do gelo e 100º para o ponto deebulição da água;

II – O limite inferior para a escala Kelvin corresponde a -273°C;

III – 1°C equivale a 1°F.

Estão corretas:

a) I e II apenas

b) I e III apenas

c) I, II e III

d) II e III apenas

e) I apenas

solução

A afirmação I e II estão corretas.

A afirmativa III é incorreta porque 1º Celsius equivale a 1,8°F.

Portanto, letra “a”.

Alternativa a.


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Algumas temperaturas:

Escala Celsius(°C)

EscalaFahrenheit (°F)

Escala Kelvin(K)

Ar liquefeito -39 -38,2 243

Maior Temperatura na superfícieda Terra

58 136 331

Menor Tempertura na superfícieda Terra

-89 -128 184

Ponto de combustão da madeira 250 482 523

Ponto de combustão do papel 184 363 257

Ponto de fusão do chumbo 327 620 600

Ponto de fusão do ferro 1535 2795 1808

Ponto do gelo 0 32 273,15

Ponto de solidificação do mercúrio -39 -38,2 234

Ponto do vapor 100 212 373,15

Temperatura na chama do gásnatural 660 1220 933

Temperatura na superfície do Sol 5530 10000 5800

Zero absoluto -273,15 -459,67 0


ESTUDO VIRTUAL

Termodinâmica clássica

Vídeo de termodinâmica aplicada

https://www.youtube.com/watch?v=jPRabgYgB3Q

http://www.videodeaula.com.br/fisica/termodinamica/video-de-termodinamica.html

SONNTAG, R.E., VAN WYLEN, G.J., “Fundamentos da TermodinâmicaClássica”, Editor Edigard Blücher LTDA.

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