Termodinamica

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Trabalho de Termodinâmica
WESLEY BITTNER DA SILVA RA: 4200061232
SANTO ANDRÉ
2016
Sumário
Sistema	4
Sistema homogêneo	4
Sistema heterogêneo	4
Volume de Controle	4
Propriedades Termodinâmicas	4
Massa	5
Comprimento	5
Tempo	5
Força	5
Energia	5
Volume especifico	5
Massa especifica	5
Pressão	6
Temperatura	6
Escalas de temperatura	6
Processos termodinâmicos	6
Processos Iso	6
Processo Reversível	7
Processo Irreversível	7
Ciclos da termodinâmicos	7
CICLO DE CARNOT	7
Ciclo de Otto	9
Ciclo de Diesel	10
Ciclo Rankine	10
Ciclo de Stirling	10
Substâncias puras	11
Substância pura simples	11
Substância pura composta	11
Equilíbrio de fases	11
Propriedades Independentes de uma Substância Pura	12
Calor	12
Trabalho	12
Transferência de calor	13
Radiação	13
Condução	13
Convecção	13
1ª Lei da Termodinâmica	14
Propriedades Termodinâmicas	14
Propriedade Extensiva	14
Propriedade Intensiva	15
Propriedade Específica	15
Energia Interna (U)	15
Entalpia	16
Sistema
 • É uma quantidade de matéria com massa e identidade fixa, sobre o qual dirige identidade fixa, sobre o qual dirige-se a atenção do estudo;
 • É delimitado da vizinhança pela fronteira
Vizinhança - Tudo que é externo ao sistema.
 
Fronteira - Tudo que separa o sistema da vizinhança, podendo ser fixas ou móveis, reais ou imaginárias.
Sistema homogêneo
Apresenta apenas uma fase, que pode ser visualmente identificada. Exemplo: copo de água líquida.
Sistema heterogêneo
Pode apresentar mais de uma fase, como um copo de água com gelo (lembrando que tudo que está no copo ainda é água, apenas em estados físicos diferentes).
Volume de Controle 
• É um volume arbitrário do espaço através do qual há massa entrando e saindo;
 • Seu contorno é denominado de superfície de controle: 
– Esta superfície pode ser real ou imaginária; 
– Pode estar em repouso (estacionária), em movimento (móvel) ou se deformar (deformável); 
• Pode atravessar a superfície de controle: 
– Massa, trabalho, calor e quantidade de movimento.
• Estado: 
– É identificado pelas propriedades termodinâmicas.
Propriedades Termodinâmicas 
• É qualquer característica observável da substância: 
– Define o estado;
 – Não depende de como o sistema o atinge; 
• Podem ser divididas em:
 – Extensivas quando dependem da massa; 
• Ex.: volume;
 – Intensivas quando não dependem da massa; 
• Ex.: Pressão e Temperatura; 
• Representa o sistema quando do equilíbrio termodinâmico;
 – Quando é incapaz de uma troca espontânea de estado
Massa 
A massa é a magnitude física que permite exprimir a quantidade de matéria contida num corpo. No Sistema Internacional, a sua unidade é o quilograma (kg.)
Comprimento
 Trata-se da grandeza física que expressa a distância percorrida entre dois pontos. O Sistema Internacional de Unidades estabelece que a sua unidade é o metro. Da mesma forma, é a extensão longitudinal entre duas extremidades.
Tempo 
É a grandeza física que permite medir a duração ou a separação das coisas mutáveis/sujeitas a alterações (ou seja, o período decorrido entre o estado do sistema quando este apresentava um determinado estado e o momento em que esse dito estado regista uma variação perceptível para o observador).
Esta grandeza, cuja unidade básica é o segundo, permite ordenar os sucessos em sequências, estabelecendo assim um passado, um presente e um futuro.
Força
Para a física, a força é qualquer ação ou influência que possa alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo. Significa que uma força pode dar aceleração a um corpo, modificando a velocidade, a direção ou o sentido do seu movimento.
Energia
É à capacidade de qualquer corpo produzir trabalho, ação ou movimento.
Volume especifico
Razão entre o volume de um corpo (V) e a sua massa (m)
Massa especifica
A massa específica de uma substância é a razão entre a massa e o volume da substância.
Pressão 
É uma grandeza que quantificada através da razão entre a força (F) e a área (A) da superfície em questão, onde a força é aplicada.
Temperatura 
É a grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo ou sistema.
Escalas de temperatura
Fahrenheit: escala termométrica de símbolo F, no qual 32° F é o ponto de congelamento da água e 212° F é o ponto de ebulição da água.
Celsius: escala de temperatura, símbolo C, no qual 0° C é o ponto de congelamento da água e 100° C é o ponto de ebulição da água.
Na escala termométrica, o intervalo entre o ponto de ebulição e o ponto de congelamento da água é dividido em 100 intervalos, denominados graus.
Kelvin: escala de temperatura absoluta ou escala termodinâmica, cujo símbolo é K, no qual o ponto triplo da água tem o valor de 273,16 K.
Processos termodinâmicos 
• É definido pelo caminho entre uma sucessões de estados pelos quais o sistema passa; 
• Durante um processo, uma ou mais propriedades de um sistema mudam;
 • Nesta situação diz-se que ocorreu uma mudança de estado;
Processo de Quase Equilíbrio
 • É uma abstração, não ocorre de fato; 
• Um processo de quase Um processo de quase equilíbrio é aquele em equilíbrio é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o infinitesimal e todos os estados, pelos quais o sistema passa durante um processo de quase sistema passam durante um processo de quase equilíbrio, podem ser considerados como estados de equilíbrio;
Processos Iso 
 • Os processo Iso são caracterizados por apresentarem uma propriedade constante; 
• Na tabela é apresentado um quadro com as Na tabela é apresentado um quadro com as propriedades e a terminologia adotada em diversos processos deste tipo.
Processo Reversível 
• Se um processo puder ser revertido sem que haja evidência que o processo ocorreu no meio ou em sua vizinhança, é dito que o processo é reversível; 
 • Para tanto, é necessário que processo aconteça de forma quase estática; 
– Contudo, esta não é uma condição suficiente para dizer que o processo é reversível.
Processo Irreversível 
• Estes processos são caracterizados como todo processo que não é reversível;
 • Processos repentinos são processos irreversíveis; 
• As fontes de irreversibilidade são: 
– Atrito;
 – Expansão não resistida;
 – Troca de calor com diferença de temperatura finita;
 – Mistura de substâncias diferentes.
Ciclos da termodinâmicos
• Quando um sistema passa por diversas mudanças de estado ou processos e retorna ao estado original, o sistema executa um ciclo;
– Todas as propriedades têm o mesmo valor no estado final da do inicial;
• Há diversos ciclos termodinâmicos de interesse para a engenharia como os ciclos de potência (Rankine, Otto, Diesel, Brayton, etc) e os de refrigeração.
CICLO DE CARNOT
Esse ciclo foi inicialmente proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolas Léonard Sadi Carnot no ano de 1824. Ele pode ser representado por uma seqüência de transformações gasosas onde uma máquina térmica tem o seu rendimento máximo operando em ciclos, diante de duas fontes térmicas. Carnot mostrou que quanto maior a temperatura da fonte quente, maior seria seu rendimento para uma substância que se comportasse como um gás ideal.
     O ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas: uma para a temperatura T1 da fonte quente onde ocorre o processo de expansão e a outra temperatura T2referente a fonte fria onde ocorre o processo de compressão. Cada uma dessas transformações é intercalada com duas transformações adiabáticas.  
     Assim temos que os processos são:
· Expansão isotérmica AB onde o gás retira energia térmica da fonte quente;
· Expansão adiabática BC onde o gás não troca calor;
· Compressão isotérmica CD onde o gás rejeita energia térmica para a fonte fria;
· Compressão adiabática DA onde o gás não troca calor.
     As máquinas térmicas que utilizam esse tipo de ciclo são consideradas máquinas térmicas ideais. Isso acontece porque seu rendimento é o maior dentre as demais máquinas e chega próximo a 100%. O teorema de Carnot divide-se em duas partes:
i. A máquina de Carnot (todas aquelas que operam segundo o ciclo de Carnot)tem rendimento maior que qualquer outro tipo de máquina, operando entre as mesmas fontes (mesmas temperaturas);
ii. Todas as máquinas de Carnot tem o mesmo rendimento, desde que operem com as mesmas fontes (mesmas temperaturas).
     Em particular a este ciclo foi demonstrado que as quantidades de calor trocadas com as fontes são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas:
Onde: 
T1 - Temperatura da fonte quente (K);
T2 - Temperatura da fonte fria (K);
Q1 - Energia térmica recebida da fonte quente (J);
Q2 - Energia térmica recebida da fonte fria (J).
Como, para uma máquina térmica o rendimento é dado por:
 
e para uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot temos que:
Ciclo de Otto
O ciclo de Otto idealiza o funcionamento de motores de combustão interna, que operam grande parte dos veículos automotores movidos a álcool, gasolina ou gás natural. Neste tipo de motor, o calor captado pelo ciclo é proveniente de uma reação de combustão, que acontece no interior do motor. Uma faísca provoca a ignição da combustão e com isso, os gases produzidos na reação são utilizados para realizar trabalho.
Assim como nenhum outro ciclo termodinâmico, o ciclo de Otto não é tão eficiente quanto o ciclo de Carnot, visto que sua eficiência depende diretamente das propriedades do fluido, como, por exemplo, o calor latente de evaporação e a energia interna.
Ciclo de Diesel
O ciclo de Diesel representa o funcionamento de outro tipo de motor de combustão interna: o motor movido a diesel. A principal característica deste ciclo é o fato da combustão ser provocada pela compressão da mistura de combustível com o ar (sem faísca). Isso ocorre porque nesse tipo de motor não existe a vela (o dispositivo que causa a faísca), ao contrário dos motores movidos a gasolina, por exemplo.
Ciclo Rankine
O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que representa de forma idealizada o funcionamento das máquinas a vapor, ou seja, de um motor que opera através da transformação de energia térmica em energia mecânica. Tal processo baseia-se no fato de que um gás se contrai ao condensar e se expande quando evapora, de forma a realizar trabalho mecânico. Sendo assim, neste ciclo existe uma transição de fases: condensação e evaporação.
Ciclo de Stirling
O ciclo de Stirling idealiza o funcionamento de um motor de combustão externa. Esse ciclo é o mais simples, uma vez que é composto apenas por duas câmaras que oferecem temperaturas diferentes, de maneira que o gás seja resfriado alternadamente. Este ciclo é o que mais se parece com o ciclo de Carnot. As máquinas térmicas que operam com base no ciclo de Stirling apresentam um rendimento maior do que aquelas operadas com base no ciclo de Otto ou de Diesel.
Pode-se concluir, então, que um ciclo termodinâmico é uma série de processos repetitivos realizados por um fluido, que pode ser um gás ou um líquido, para produzir trabalho.
Substâncias puras 
São aquelas formadas por apenas uma variedade de molécula. Ou seja, todas as moléculas são iguais. Por conta disso, possuem ponto de fusão, solidificação, ponto de ebulição constantes, e sua composição é bem definida.
Substância pura simples
As substâncias puras simples são formadas por apenas um elemento químico. Por exemplo, o gás Nitrogênio é composto apenas por átomos N:
Substância pura composta
Já as substâncias puras compostas podem ter vários elementos químicos diferentes na mesma molécula.
Por exemplo, a água pura contém apenas moléculas H2O, mas como sabemos, é formada pelos elementos químicos Hidrogênio e Oxigênio:
Equilíbrio de fases 
O equilíbrio de fases acontece quando as fases presentes em algum sistema apresentam potenciais químicos iguais, já que a variação da energia livre de Gibbs é igual a zero. Nessa condição as propriedades do material não variam com o tempo. Além disso, pode-se dizer também que todas as fases apresentam a mesma fugacidade.
Propriedades Independentes de uma Substância Pura 
O estado de uma substância pura simples compressível é definido por duas propriedades independentes. Isso significa que, se, por exemplo, o volume específico e a temperatura do vapor superaquecido forem especificada, o estado do vapor estará determinado. Para entender o significado do termo propriedade independente, considere os estados de líquido saturado e vapor saturado de uma substância pura. Esses dois estados têm a mesma pressão e a mesma temperatura, mas são definitivamente diferentes. Portanto, no estado de saturação, a pressão e a temperatura não são propriedades independentes. Duas propriedades independentes, tais como pressão e volume específico, ou pressão e título, são requeridas para especificar um estado de saturação de uma substância pura.
Calor 
• Calor é “aquilo” que é transferido entre um sistema e suas vizinhanças apenas em virtude da diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 °C para 15,5 °C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186J
Trabalho 
• Pode ser definido como sendo uma força que age através de um deslocamento na direção da força: F.dx
A unidade SI de trabalho é o joule (J), que se define como o trabalho realizado por uma força de um Newton (N) atuando ao longo de um metro (m) na direção do deslocamento.
No caso de um gás as únicas forças presentes são as forças de pressão, 
P = df/da
Para definirmos o trabalho realizado por, ou sobre, um sistema gasoso, consideremos um gás contido dentro de um cilindro com um êmbolo. Se o êmbolo se desloca
dx, então trabalho é dado por 
δW= F.dx
e, dada a definição de pressão, podemos escrever 
δW= P.A.dx= P.dV
Se o sistema sofre uma variação finita de volume, de V1 para V2, o trabalho realizado será obviamente dado por
 
Em que P pode ou não variar durante o processo. Numa expansão V2>V1, o trabalho realizado pelo gás é positivo, e o gás perde energia para a vizinhança. Numa compressão V2<V1, o trabalho é negativo, e é portanto realizado trabalho sobre o gás, de forma a que este ganha energia.
Transferência de calor
Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção 
Radiação 
Consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.
Condução 
Ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Consequentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um todo a condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.
Convecção 
Somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-semais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.
1ª Lei da Termodinâmica
 Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.
Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:
Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho  e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:
Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).
Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:
	Calor
	Trabalho
	Energia Interna
	Q//ΔU
	Recebe
	Realiza
	Aumenta
	>0
	Cede
	Recebe
	Diminui
	<0
	Não troca
	Não realiza e nem recebe
	Não varia
	=0
 
Exemplo:
(1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?
Propriedades Termodinâmicas
As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.
Propriedade Extensiva
Chamamos de propriedade extensiva àquela que depende do tamanho (extensão) do sistema ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc. 
Propriedade Intensiva 
Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Pressão etc. 
Propriedade Específica
Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade específica: 
Volume específico, v, V = 
Energia Interna específica, u, u = 
Onde: M é a massa do sistema, V o respectivo volume e U é a energia interna total do sistema.
Energia Interna (U) 
É a energia possuída pela matéria devido ao movimento e/ou forças intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes:
a - Energia cinética interna, a qual é devida à velocidade das moléculas 
b - Energia potencial interna, a qual é devida às forças de atração que existem entre as moléculas. 
As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas macroscopicamente pela alteração da temperatura da substância (sistema), enquanto que as variações na posição são identificadas pela mudança de fase da substância (sólido, liquido ou vapor).
Entalpia 
É a quantidade de energia contida em uma determinada substância que sofre reação, ela calcula o calor de um sistema, é a forma mais usada de expressar o conteúdo calorífico de um componente em uma reação química. A variação da Entalpia está na diferença entre a entalpia dos produtos e a dos reagentes, sendo assim, o calor de uma reação corresponde ao calor liberado ou absorvido em uma reação, e é simbolizado por H.
Não há como determinar a quantidade de energia em uma substância, mas podemos conhecer e medir sua variação. Para isso utiliza-se a fórmula:
Δ H = H final – H inicial
Em reações exotérmicas a entalpia final é menor do que a entalpia inicial, já que neste tipo de reação ocorre a liberação de energia. Exemplo: queima de alimentos pelo organismo, reações de combustão.
Em reações endotérmicas, a entalpia final é maior que a entalpia inicial, já que neste tipo de reação ocorre a absorção de energia.
Engenharia de Produção – Termodinâmica			 16