Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica

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Prof.° Dr. Eng. Thiago Alexandre MINTO
Termodinâmica
U1 – Introdução aos conceitos fundamentais da termodinâmica
S1.1 – Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica
• Objetivo
• Conhecer e compreender os conceitos introdutórios e definições básicas de 
termodinâmica, como sistema termodinâmico, propriedade, estado e ciclo 
termodinâmico, e uma introdução ao trabalho de expansão e de compressão 
em processos reais e em quase equilíbrio.
• Palavras chaves:
• Sistemas Termodinâmicos; Propriedades Termodinâmicas; Estado 
Termodinâmico; Processo Termodinâmico; Trabalho de Expansão e 
Compressão.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Já pararam para pensar o quanto as diferentes formas de energia são 
importantes no nosso dia-a-dia?
• Elétrica: eletrônicos 
• Mecânica: carros e equipamentos
• Térmica: Refrigeração 
• Bem estar e conforto. 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Para entender os conceitos de energia e conservação de energia, 
vamos:
• Definição de sistema.
• Propriedades.
• Estado.
• Processos termodinâmicos que ocorrem nos sistemas.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Outros conceitos:
• Pressão.
• Temperatura.
• Volume específico.
• Massa especifica.
• Determinar as fases em um sistema.
• Mudanças de fases. 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Ainda nessa unidade:
• Substância pura.
• Modelo de gás ideal.
• Saber identificar o estado do sistemas através do diagrama P-ν-T.
• Diagrama generalizado de compressibilidade.
• Conceitos de calores específicos.
• Avaliar as propriedades de líquidos e sólidos.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• A TERMODINÂMICA.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 1: Equipamentos que envolvem ciclos termodinâmicos
• Contextualizando (Projeto).
• Você é um engenheiro Trainee.
• Escritório de consultoria Thermo Dynamics.
• Ramos: Sucroalcooleiro Bio Energy S/A.
• Projeto: Sistema de geração de energia através da queima do bagaço da cana.
• Equipamentos: Caldeira e turbina a vapor.
• Exigência: Ter maior eficiência energética que o anterior.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Contextualizando (Projeto).
• Você deverá entregar ao final do projeto.
• Relatório detalhado.
• Identificar os conceitos termodinâmicos básicos.
• Análise preliminar do ciclo termodinâmico.
• Classificar o sistema em partes e no todo.
• Definir quais propriedades são essenciais para descrever o estado termodinâmico em 
cada ponto considerado e como se relacionam.
• Avaliar as propriedades de líquidos, sólidos, vapores e misturas dessas fases utilizando 
diagrama de fases. 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Primeira etapa do projeto.
• Desenvolver uma análise preliminar do ciclo termodinâmico.
• Classificar cada parte do sistema.
• Determinar quais pontos serão monitorados, e os estados termodinâmicos.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Croqui do projeto.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 2: Ilustração de um ciclo de potência a vapor (página 15 - Livro Único).
1. Sistema fechado ou volume de controle?
2. Porque dessa classificação?
3. Com quais parâmetros serão definidos os estados 
desses sistemas?
4. Nos sistemas, ocorre um processo ou um ciclo 
termodinâmico?
5. A mudança em uma das propriedades num 
determinado ponto afetará o estado do estágio 
seguinte?
• Termodinâmica
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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THERMES DYNAMIS
CALOR MOVIMENTO
Nos primórdios do século XIX → estudo mais “formal” da Termodinâmica
Capacidade dos corpos quentes produzirem trabalho. 
• Termodinâmica
✓É a ciência da Energia e da Entropia.
ou
✓Ciência que trata do Calor, do Trabalho e das 
Propriedades das Substâncias relacionadas ao Calor 
e ao Trabalho” (Van Wylen, 2012 p. 3).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Sistemas Termodinâmicos
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 3: Ilustração de Sistema, Fronteira do Sistema e Vizinhança – Livro único pág. 16
• Sistema é caracterizado como 
uma quantidade identificável de 
matéria.
• É todo espaço que se deseja 
estudar, que é separado por uma 
superfície chamada fronteira. 
• Tipos de Sistemas
SIMPLES COMPLEXO 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 4: Secador de cabelo
Figura 5: Industria Petroquímica
• Tipos de Fronteiras
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 6: Ilustração de Fronteiras do Sistema: Fixa e Móvel - Livro único pág. 17
FIXA MÓVEL
• Em Fronteiras fixas
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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SISTEMA FECHADO ou
MASSA DE CONTROLE
TIPO ESPECIAL DE FECHADO 
é o ISOLADO
Não há escoamento de massa pela fronteira Não há troca de energia com a vizinhança
Figura 7: Fronteiras fixas
• Em Fronteiras fixas
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 8: Fronteiras fixas
• Em Fronteiras fixas
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Não há escoamento de massa pela fronteira Não há troca de energia com a vizinhança
Quando há escoamento de massa através da fronteira, chamada de superfície de 
controle, o sistema é denominado volume de controle ou sistema aberto.
Fonte: Moran et al. (2018, p. 6 e 7).
Turbina a vapor
Compressor
Motor de combustão
Figura 9: Fronteiras fixas
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Exemplificando.
(a) Fechado (b) Isolado (c) Aberto
Fonte: <http://www.flickriver.com/photos/bruno_mendes/2691323980>; adaptada de <https://www. mor.com.br/porta-latas-neoprene-cinza-8061/p>; 
<https://www.soyvisual.org/node/57228/lightbox/ nojs>. Acesso em: 9 abr. 2018.
Figura 10: Fronteiras fixas
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• Exemplificando.
Sistema
Tipo de sistema é a relação de troca 
com a vizinhança
fronteira
Figura 11: Sistema e vizinhança
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Portanto:
Sistema Fechado: Há troca de energia e não há troca de massa
Sistema Isolado: Não há troca de energia nem de massa
Sistema Aberto: Há troca de energia e de massa.
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• Sistemas
• Microscópico: relacionado com a estrutura da matéria.
• Macroscópico: relacionado com o sistema global da matéria.
• Em nossos estudos será considerado o meio macroscópico.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
• Propriedade termodinâmica: característica macroscópica de um sistema, para o 
qual um valor numérico é admitido num determinado tempos, sem o conhecimento 
prévio do comportamento histórico do sistema.
• Ex. Ar condicionado: Ar que sai é mais frio que o ar ambiente.
• As propriedades do ar, nessas condições, são diferentes, é o que define a 
sensação “mais quente” e “mais frio”.
• Nesse caso a propriedadeé a temperatura, diferente nas duas situações.
• Outros exemplos de propriedades: massa, volume, energia, pressão, entre 
outras
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Tipo de propriedades:
• Intensiva: Quando seu valor independe da dimensão ou extensão de um 
sistema, sendo assim, independente da massa.
• Ex.: Pressão e temperatura.
• Extensiva: Quando o valor da propriedade, para o sistema como um todo, é a 
soma das partes (massa) dessa propriedade nas quais o sistema é dividido.
• Ex.: Volume, massa e energia. 
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• Tipo de propriedades:
Figura 12: Ilustração de propriedades 
intensiva e extensiva
Sistema
Considere todos os Subsistemas
➢ Propriedade Intensiva
➢ Propriedade Extensiva
Temperatura: Tsistema = TA = TB = TC = TD
Volume: Vsistema = VA + VB + VC + VD
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Assimile
Temperatura é uma propriedade intensiva, pois independe da quantidade 
de massa do sistema. Pressão também é uma propriedade intensiva 
pelos mesmos motivos. Já o volume é uma propriedade extensiva, pois 
depende da massa, ou seja, o todo é a soma de cada fração em que é 
dividido o sistema. A massa e a energia do sistema também são 
propriedades extensivas, pois a massa total é a soma de cada fração de 
massa do sistema, da mesma forma que energia.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
• Estado termodinâmico: Condição de um Sistema descrito por suas propriedades. 
Exemplo ar condicionado do exemplo anterior.
• O valor numérico do ar que sai é menor que a temperatura do ar ambiente. 
• Isso o qualifica a entender o conceito de estado termodinâmico, condição de 
um sistema, descrito por suas propriedades.
• Necessitamos de duas propriedades independentes para definir o estado 
termodinâmico. 
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
Assim, a pressão, a temperatura, o volume,
a massa e a energia do ar ambiente do exemplo definem 
o estado que o ar ambiente se encontra, que é diferente 
do estado que este sai do aparelho de ar-condicionado.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
• Estado Estacionário ou Regime Permanente
• É utilizado quando o sistema possui os mesmos valores de suas 
propriedades em dois instantes diferentes, ou seja, nenhuma de 
suas propriedades varia com o tempo.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Reflita
Imagine que, no exemplo anterior, o ar ambiente possuía um
determinado estado quando entrou no condicionador de ar, 
sendo definido por suas propriedades. Ao sair do aparelho, como 
houve alteração de suas propriedades, temos que o estado 
termodinâmico do ar também mudou. 
Como podemos descrever isso?
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
• Processo termodinâmico: É o caminho percorrido pelo sistema quando 
o seu estado muda, ocasionado pela mudança de quaisquer uma de 
suas propriedades.
∴ É a transformação de um
estado para o outro.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Processo termodinâmico.
Fluxo de ar
Figura 13: Ilustração de estado e processo termodinâmicos
Estado 1 
P1 e T1
Estado 2 
P2 e T2
Aquecimento
Processo 
termodinâmico
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
• Ciclo termodinâmico: É uma sequência de processos que se inicia e 
termina no mesmo estado. 
• Ex.: (Ar condicionado) → Analisando agora o gás refrigerante do condicionador 
de ar como sendo o nosso sistema termodinâmico, pode-se dizer que este fluido 
de trabalho percorre diversos processos, até voltar ao ponto de partida, seja 
qual for o ponto considerado (Ciclo termodinâmico).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Definição de Propriedades, Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico
(a) Refrigerador (b) Condicionador de ar
Figura 14: Ilustrações de ciclos termodinâmicos de refrigeração
Fonte: Borgnakke & Sonntag (2009, p. 147 e 191).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 15: Ilustrações funcionamento ar condicionado. 
Fonte: Adaptado https://frioart.com.br/funcionamento-do-ar-condicionado/ - Acesso 03/08/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Reflita
As propriedades termodinâmicas descrevem o estado que um 
sistema se encontra apenas quando ele está em equilíbrio, ou 
seja, para um determinado estado as propriedades não podem 
variar. Mas, se um processo real ocorre somente quando não 
existe equilíbrio, ou seja, se para ocorrer um processo precisa 
haver uma mudança de estado, como pode ser descrito o estado 
de um sistema durante um processo? 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Trabalho de expansão e compressão em processos reais e em quase 
equilíbrio.
• Em um Processo de quase-equilíbrio o desvio do equilíbrio termodinâmico real 
é infinitesimal, isto é, todos os estados que o sistema passa durante o processo 
são considerados estados de equilíbrio (processo suficientemente lento).
• ∴ uma parte do sistema não muda mais rapidamente do que as propriedades 
das outras partes.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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(a) Dados estatísticos (reais): Diagrama p −V (b) Processo de quase-equilíbrio
Fonte: Moran et al. (2018, p. 38). 
Em sistemas reais os valores de pressão e volume
são obtidos na prática a partir de dados medidos 
conforme mostra a figura. 
Os valores poderão ser obtidos através de 
um balanço de energia, que será estudado 
na próxima Unidade de Ensino. 
Figura 16: (a) dados estatísticos – (b) processo de quase equilíbrio
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Durante um processo quando uma das propriedades do sistema se 
mantêm constante, usa-se o prefixo “ISO”.
• ISOTÉRMICO: processo com temperatura constante.
• ISOBÁRICO: processo com pressão constante.
• ISOCÓRICO: processo com volume constante.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Volume específico e massa específica
• Volume específico υ: Volume por unidade de massa. 
Figura 17: Ilustração da definição de volume específico
A partir de uma análise infinitesimal, pode-se dizer 
que, após a estabilização do sistema, conforme 
figura, o volume específico é definido como:
Onde:
υ: volume específico (m3/kg);
V: volume (m3);
M: massa (kg).
Sempre usar letra 
minúscula.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Volume específico e massa específica
• Massa específico ρ: Massa por unidade de volume (inverso do volume específico).
Onde: 
• ρ: volume específico (Kg/m3).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Pressão
• Vamos considerar o conceitos termodinâmicos sob o 
ponto de vista macroscópicos (meio contínuo), 
desconsiderando a interação entre as moléculas.
• Considere uma pequena superfície de área δA
infinitesimal de um fluido em repouso (Figura), 
temos:
Figura 18: Ilustração da definição de pressão
Força Normal
P: Pressão [N/m2] ou [Pa];
δFn: Força normal [N];
δA’: Área infinitesimal[m2]
δA: Menor área possível [m2]
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Pressão – Sistema internacional SI.
• [Pa] → Força normal de 1N atuando sobre uma superfície de área 1m2.
• Como Pa é uma unidade muito pequena, usa-se prefixos.
• kPa = 103Pa, 1 bar = 105Pa e 1MPa =106Pa.
• Outras unidade de pressão Atmosfera Padrão : 
• 1 atm = 760 mmHg (milímetros de mercúrio);
• 1 atm = 101.325 Pa;
• 1 atm = 14,696 lbf / in2psi;
• 1 atm = 10,3 mca (metro de coluna d´água a 4°C).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Igualdade de temperatura
Dois corpos estão em igualdade de temperatura se, quando 
colocados em contato, não ocorre variação em nenhuma de 
suas propriedades.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Lei zero da Termodinâmica
=
=
TA= TB= TC
[°C] ou [F]
Figura 19: Ilustração da Lei Zero da Termodinâmica
Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/5610084/ acessado 03/08/2021
https://slideplayer.com.br/slide/5610084/
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Seu trabalho como trainee.
• Projeto
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Seu trabalho como trainee.
Figura 20: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
✓ 4 Partes: Caldeira, turbina, condensador 
(trocador de calor) e bomba.
✓ 4 Partes: 4 sistemas independentes.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Seu trabalho como trainee.
Como classificar esses quatros sistemas? 
Fechado ou volume de controle? Qual justificativa dessa classificação?
Com quais parâmetros serão definidos 
os estados desses sistemas?
Nesses sistemas independentes, 
ocorre um processo ou um ciclo?
A mudança em uma das propriedades
num determinado ponto afetará o 
estado do estágio seguinte?
A massa (água) cruza as fronteiras 
de cada sistema (entra e sai) 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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Figura 21: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Classificação do sistema
“VOLUME DE CONTROLE”
“SISTEMA ABERTO”
Para um volume de controle, a 
massa cruza a fronteira do 
sistema, nesse caso chamada de 
superfície de controle.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 22: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Justificativa
O sistema fluido do condensador 
é considerado como um sistema 
fechado pois não cruza a fronteira 
do sistema (tubulação do 
equipamento).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 23: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Condensador (Trocador de calor)
Os valores das propriedades são 
definidos nos pontos de entrada e saída 
de cada sistema.
Entrada caldeira: P1, T1 e v1
Saída caldeira: P2, T2 e v2
Lembrado que duas propriedades são suficientes para 
classificar o estado termodinâmico.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 24: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Estado termodinâmicoSaída
Entrada
Nesses sistemas há uma mudança de 
estado termodinâmico. Ex.: a água que 
entra na caldeira no estado 1 tem 
propriedades diferentes da água que sai 
no estado 2.
Configura o Processo Termodinâmico.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 25: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Processo termodinâmicoSaída
Entrada
Ocorrerá quando esses sistemas
forem considerados como estando 
interligados. 
O sistema é considerado como um todo 
(caldeira, turbina, condensador e 
bomba).
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 26: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Ciclo termodinâmicoSaída
Entrada
Se em alguma propriedades mudar 
durante o tempo em um determinado 
ponto, afetará o estado do estágio 
seguinte. 
Isso desconfigura a definição de ciclo 
termodinâmico. (inicia e termina no 
mesmo Estado). 
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Figura 27: Ilustração de um ciclo de potência a vapor
Sistema em operação
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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Agora, para finalizar o trabalho do trainee, 
basta ser feito um relatório detalhado de 
tudo que foi apresentando.
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Descrição da situação-problema - Projeto de um aparelho de ar-
condicionado ecoeficiente.
• Ar condicionado frio residencial;
• Deve ser sustentável;
• Fluido refrigerante nocivo à camada de ozônio;
• Baixo consumo de energia;
• Mesmo potencia de trabalho. 
Figura 28: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Descrição da situação-problema - Projeto de um aparelho de ar-
condicionado ecoeficiente.
• Projeto oposto ao da empresa sucroalcooleira;
• Ao invés gerar energia através da queima do 
bagaço, deve-se resfriar o ar.
Figura 29: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Descrição da situação-problema - Projeto de um aparelho de ar-
condicionado ecoeficiente.
• Qual tipo de sistema? Considerando como sistema
o caminho percorrido pelo refrigerante. 
• Há uma analogia entre esses dois problemas?
• Considerando agora como sistema o ar ambiente, que entra e sai do 
evaporador, que tipo de sistema ele configura?
Figura 30: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Descrição da situação-problema - Projeto de um aparelho de ar-
condicionado ecoeficiente.
• Temos que, utilizando-se de um controle remoto, 
é possível definir a temperatura desejada para o ar. 
• Com apenas essa informação (a temperatura), é possível identificar o 
estado termodinâmico em que o ar se encontra na saída do 
evaporador?
Figura 31: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
Termodinâmica
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• Resolução – Situação problema
• Fluido de trabalho:
• Sucroalcooleira: água
• Ar condicionado: refrigerante.
O refrigerante percorre um sistema fechado, sendo que o mesmo 
percorre um ciclo, porém de maneira diferente. 
Figura 32: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Resolução – Situação problema
• Problema típico da termodinâmica.
• O refrigerante passa por diversos processos.
• O sistema muda de estado ao final de cada processo.
• No final do ciclo ele retorna ao mesmo estado inicial.
• Considerando como sistema o caminho percorrido pelo refrigerante, 
configura-se um ciclo termodinâmico de refrigeração.
Figura 33: Ar condicionado.
Fonte: https://www.mideastore.com.br/ar-
condicionados/inverter/inverter-compativeis-
com-wi-fi/c - acesso 3/8/21
• Conceitos introdutórios e definições em termodinâmica.
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• Resolução – Situação problema
• Nos dois processos apresentados, cada estado é definido pelas 
propriedades do fluido em cada ponto do ciclo termodinâmico.
• Evaporador: Há uma quantidade de massa cruzando a fronteira do 
sistema, configura-se como um volume de controle.• Estado termodinâmico: É definido por suas propriedades. 
• Portanto, deve-se conhecer pelo menos os valores de duas propriedades 
independentes para definir o estado termodinâmico.