Termodinâmica e Sistemas Térmicos

Prof. M.Sc. Guilherme Schünemann

Introdução – o que é termodinâmica• Termo – refere-se ao calor

• Dinâmica – força ou movimento

• Atualmente é uma ciência que trata da transformação de todas as formas de energias

• As aplicações dessa ciência são baseadas em

Propriedades simples – Pressão, Temperatura,

Volume, Composição Química e Massa

• Motores, refrigeração, uso do petróleo,

celulose, tratamento de minérios, etc.

Histórico – Usos da energia

• Domínio do fogo

• Tecnologias para uso do vento na propulsão de navios/moinhos

• Conversão de calor em trabalho (força x deslocamento)

• ....

• Máquinas térmicas de Newcomen(1712) e de Watt (1763)

• Desenvolvimento de motores

A máquina de Newcomen (1712)1. Injeção de vapor em alta pressão e

temperatura no pistão

2. Condensação do vapor por meio da injeção de água fria, criando vácuo parcial no pistão

3. Ação da pressão atmosférica contra o pistão, gerando força de tração da haste

4. Reinício do ciclo

Conversão de calor em trabalho mecânico

Sistemas e volumes de controle• Sistema – quantidade de matéria

selecionada para o estudo de sua energia

• Vizinhança – massa ou região fora do sistema

• Fronteira – interface que separa o sistema de sua vizinhança

Sistemas e volumes de controle• Sistema aberto – permite fluxo de matéria e de

energia

• Sistema fechado – permite fluxo de energia, mas não de matéria

• Sistema isolado – não permite fluxo de matéria nem de energia

Sistemas e volumes de controle

• Fronteira permeável – permite fluxo de matéria

• Fronteira impermeável – não permite o fluxo de matéria

• Fronteira diatérmica – permite o fluxo de calor

• Fronteira adiabática – não permite o fluxo de calor

• Fronteiras podem ser móveis ou fixas, reais ou imaginárias

Sistemas e volumes de controle• Volume de controle – trata-se de um sistema aberto que envolve fluxo de

massa

• Massa de controle – sinônimo de sistema fechado

• Nesses casos, as fronteiras passam a se chamar superfície de controle

Pontos de vista microscópico e macroscópico• Podemos abordar o que acontece em um sistema sob dois pontos de vista

• Microscópico – leva em conta todas as interações atômicas da matéria que compõe o sistema

• Macroscópico – leva em conta os efeitos gerais ou médios das várias moléculas do sistema

• A termodinâmica se baseia no ponto de vista macroscópico, uma vez que não está interessada em descrever o comportamento de CADA MOLÉCULA ciência empírica

• Os sistemas são estudados em condição de equilíbrio “foto” do estado inicial, “foto” do estado final

Estado e propriedades de uma substância• Uma substância pode existir sob diversas formas (ou fases) – sólida, líquida,

gasosa

• Uma fase é uma quantidade de matéria totalmente homogênea

• Em uma mesma fase, a substância pode existir a várias pressões e temperaturas, ou seja, em vários estados

• Cada estado pode ser descrito por um certo conjunto de propriedades• Temperatura [graus Celsius, Kelvin]

• Pressão [atm, bar, Pa, mmHg]

• Massa específica ou densidade [kg/m³]

• As propriedades das substâncias impactam nas propriedades de todo o sistema

Revisão de grandezas físicas e unidades• Igualdade de temperatura – dois corpos

possuem igualdade de temperatura quando não apresentam mudanças em suas propriedades mensuráveis quando colocados em equilíbrio térmico

• Lei 0 da termodinâmica – quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, pode-se dizer que esses dois corpos possuem igualdade de temperatura entre si

•𝑇𝑐

5=

𝑇𝑓−32

9=

𝑇𝑘−273

5

Revisão de grandezas físicas e unidades• Massa – medida em gramas ou seus múltiplos [g]

• Comprimento – medido em metros ou seus múltiplos [m]

• Força – massa x aceleração [N = 1kg . m/s²]. 𝐹 = 𝑚. 𝑎

• Ex1 – Qual é o peso de um corpo que apresenta massa igual a um kg em um local em que a aceleração da gravidade vale 9,75 m/s²? E se o corpo tivesse 10 kg?

• Volume específico – volume ocupado pela unidade de massa que se está trabalhando [uc³]. 𝑣 = 𝑉/𝑚

• Massa específica (densidade) – massa associada à unidade de volume [g/cm³]. 𝜌 = 1/𝑣

Revisão de grandezas físicas e unidades• Ex2 – o recipiente da figura, com volume interno de 1 m³, contém 0,12 m³

de granito, 0,15 m³ de areia e 0,2 m³ de água líquida a 25 ºC. O restante do volume interno do recipiente é ocupado por ar, que apresenta massa específica de 1,15 kg/m³. Determine o volume específico médio e a massa específica da mistura contida no recipiente.

• R: 𝑣 = 0,001325𝑚3

𝑘𝑔; 𝜌 = 755,0

𝑘𝑔

𝑚3

• Dados: 𝜌𝑔𝑟𝑎𝑛𝑖𝑡𝑜 = 2750 𝑘𝑔/𝑚³

• 𝜌𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 = 1500 𝑘𝑔/𝑚³

• 𝜌á𝑔𝑢𝑎 = 997 𝑘𝑔/𝑚³

Revisão de grandezas físicas e unidades• Energia – capacidade de um corpo, substância

ou sistema físico tem de realizar trabalho:

• Energia pode ser térmica, elétrica, solar, nuclear

• A energia assume as formas potencial e cinética

• Pressão – força aplicada por uma corpo/substância sobre uma área [Pa, bar, atm, lbf/in², mmHg]. 𝑃 = 𝐹/𝐴

• 1 𝑃𝑎 = 1 𝑁/𝑚²

• 1 𝑏𝑎𝑟 = 105 𝑃𝑎

• 1 𝑎𝑡𝑚 = 101325 𝑃𝑎

Revisão de grandezas físicas e unidades• Pressão absoluta – é a pressão total que atua

sobre um sistema. Para um ponto no interior de um fluido (gás ou líquido):

𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 + 𝜌. 𝑔. ∆ℎ

• 𝜌 – 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑜𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

• 𝑔 − 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒• ∆ℎ − 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

• Princípio de Stevin – estabelece que diferença de pressão entre dois pontos de um fluido é dada por ∆𝑃 = 𝜌. 𝑔. ∆ℎ

Exercícios