Termodinmica resumo para o grupo de estudos da Petrobrs

Bloco 1 - Estado termodinmico e propriedades termodinmicas. Primeira lei e a conservao de energia. Segunda lei aplicada a ciclos e processos. Gases perfeitos. Ciclos tericos de gerao de potncia e refrigerao.

- Conceitos introdutrios

1. DefinioTermodinmica a cincia que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substncias associadas ao calor e ao trabalho.Sistema termodinmicoUm sistema termodinmico definido como uma quantidade de matria com massa e identidade fixas ao qual nossa ateno dirigida, tambm chamado de sistema fechado. Tudo que externo ao sistema a vizinhana.Um sistema isolado aquele onde nem calor e nem trabalho cruzam as fronteiras do sistema.

A anlise termodinmica feita em equipamentos onde tem se fluxo de massa para dentro e/ou para fora do mesmo feita atravs da definio do volume de controle (sistema aberto), onde a linha que envolve o equipamento chamada de superfcie de controle.

2. Estado termodinmico e propriedades termodinmicas de uma substnciaUma substncia pode existir sob vrias formas (fases). Uma fase uma quantidade de matria totalmente homognea.Estado condio do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relaes entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.Quando pelo menos uma propriedade de um sistema alterado, dizemos que ocorreu uma mudana de estado.Propriedade caractersticas MACROSCPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSO e TEMPERATURA, que no dependem da histria do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.) uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudana de seu valor entre dois estados independente do processo.As propriedades termodinmicas podem ser descritas em duas classes gerais: intensivas e extensivas. Uma propriedade intensiva independe da massa (temperatura, presso, massa especfica), enquanto uma propriedade extensiva varia diretamente com a massa (volume total, por exemplo).Volume especfico o volume ocupado por 1kg de massa de uma substncia dado em m/kg, ou em base molar, m/mol, sendo as propriedades representadas em bases molares, com um trao em cima da sua letra representante ()

Processo mudana de estado devido alterao de uma ou mais propriedades. Podem ser isotrmicos (temperatura constante), isobricos (presso constante) ou isocricos (volume constante)Estado estacionrio nenhuma propriedade muda com o tempo.Ciclo termodinmico seqncia de processos que comeam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de potncia.

Lei zero da termodinmicaSe dois corpos esto em equilbrio trmico com um terceiro corpo, ento eles esto em equilbrio trmico entre si.Lquido comprimido lquido que se encontra a uma temperatura abaixo da temperatura de saturao, onde a temperatura de saturao para uma dada presso a temperatura de incio de transformao de fase.Lquido saturado lquido presente na temperatura de saturao a uma dada presso.Vapor saturado vapor presente (fase gasosa) na temperatura de saturao de uma substncia a uma dada presso.Quando uma substncia composta por uma parcela na fase lquida e outra na fase vapor, na temperatura de saturao, seu ttulo definido como a razo entre a massa de vapor e a massa total.O ttulo pode ser considerado como uma propriedade intensiva e seu smbolo representado pela letra x.Para a situao de vapor saturado, o ttulo 100%.Vapor superaquecido quando o vapor est a uma temperatura maior que a de saturao.

O ttulo tambm pode ser representado da seguinte maneira, onde v o colume especfico mdio do sistema, vl o volume especfico de lquido saturado e vlv, a diferena entre os volumes especficos de vapor saturado e lquido saturado.

Gs IdealO gs ideal um gs fictcio, de comportamento regido pelas leis da mecnica newtoniana: nas colises, no perde energia; as foras de coeso so consideradas nulas; e cada molcula possui volume desprezvel.Equao de ClapeyronEsta equao estabelece uma relao entre as variveis de estado (P, V, T) de um gs perfeito.A constante R denominada constante universal dos gases perfeitos. Seu valor depende das unidades de medida adotadas para as variveis de estado. Caso tomemos 1 mol de oxignio, ou 1 mol de hidrognio, ou 1 mol de gs carbnico (todos supostos gases perfeitos), para todos eles, o quociente P . V /T ser o mesmo e valer R. Assim, para um nmero (n) de mols, pode-se dizer que o quociente resulta em n.R.Eq. Geralp . V = n . R . T

Lei Geral das Transformaes GasosasA Lei Geral dos Gases estabelece, utilizando a equao de Clapeyron, uma relaoque permite analisar uma transformao qualquer, ocorrida com um gs perfeito, relacionando seu estado inicial e final.

Trabalho numa transformaoConsidere-se um gs ideal contido num recipiente. O trabalho numa transformao gasosa aquele realizado pela fora que o gs aplica no mbolo mvel do recipiente. Quando um gs expande-se, empurra as superfcies que o limitam, medida que estas se movimentam no sentido da expanso. Assim, um gs em expanso sempre realiza um trabalho positivo. Para calcular o trabalho realizado por um sistema termodinmico durante uma variao de volume, considere o fluido contido no cilindro equipado com um pisto mvel. Numa expanso, o volume aumenta e o gs realiza trabalho sobre o meio externo.Trabalho positivo significa que sai energia do sistema, enquanto trabalho negativo significa que entra energia no sistema.

Onde

Processo AdiabticoUm processo realizado de modo que o sistema no receba nem fornea calor chamado adiabtico. Em qualquer processo adiabtico, Q = 0, ou seja, no ocorre troca de calor. Pode-se realizar este processo, envolvendo o sistema com uma camada espessa de um isolante trmico ou realizando-o rapidamente. A transferncia de calor um processo relativamente lento, de modo que qualquer processo realizado de maneira suficientemente rpida praticamente adiabtico. Aplicando-se a Primeira Lei a um processo adiabtico, tem-se que:Para Q = nulo, ento, (U = trabalho)Compresso(V < zero => t < zero)Transformao CclicaA transformao cclica corresponde a uma seqncia de transformaes na qual o estado termodinmico final igual ao estado termodinmico inicial, como, por exemplo, na transformao A B C D E A. Assim, a variao de energia interna de um sistema, num processo adiabtico, igual em valor absoluto ao trabalho. Se o trabalho t for negativo, como acontece quando o sistema comprimido, ento, t ser positivo, U2 ser maior do que U1 e a energia do sistema aumentar. Se t for positivo, como na expanso, a energia interna do sistema diminuir. Um aumento de energia interna , normalmente, acompanhado de um aumento de temperatura e um decrscimo da energia interna, por uma queda de temperatura. A compresso da mistura de vapor de gasolina e ar, que se realiza num motor de expanso gasolina, constitui um exemplo de um processo aproximadamente adiabtico, envolvendo um aumento de temperatura. A expanso dos produtos de combusto durante a admisso do motor um processo aproximadamente adiabtico, com decrscimo de temperatura. Os processos adiabticos representam, assim, um papel importante na Engenharia Mecnica.

1 Lei da termodinmicaIntroduoPara introduzir a 1. lei, vamos escolher um sistema fechado indo de um estado de equilbrio, para outro estado de equilbrio, com o trabalho como nica interao com o meio ambiente. Num processo termodinmico, como o visto acima, sofrido por um gs, h dois tipos de trocas energticas com o meio exterior: o trabalho realizado (t) e o calor trocado (Q). Como conseqncia do balano energtico, tem-se a variao da energia interna (DU). Para um sistema constitudo de um gs perfeito, tem-se que: (U= Q t => Q = U + t).