Conceitos e Definições de Termodinâmica

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Prof. Ms. Wladimir
(2009)
1ª AULA EPM – EE – EC 
1. 	CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS
TERMODINÂMICA 
do Grego	THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia
DYNAMIS - FORÇA
DEFINIÇÃO
Ciência que trata das transformações de energia de quaisquer espécies, umas nas outras
Ciência da ENERGIA e das relações entre as PROPRIEDADES da matéria. 
ÁREAS DE INTERESSE
Física - princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.
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 termoiônicos
Conversores magnetohidrodinâmicos (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
3.1	SISTEMAS TERMODINÂMICOS
SISTEMA identifica o objeto da análise.
Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa.
Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui.
VIZINHANÇA - Tudo o que é externo ao sistema.
	
FRONTEIRA - superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua fronteira.
Pode estar em movimento ou repouso.
Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer análise termodinâmica.
Sua definição é arbitrária e dever ser feita pela conveniência da análise a ser feita.
3.1.1. TIPOS DE SISTEMAS
Sistema Fechado - quantidade fixa de matéria. Massa não entra, nem sai.
Volume de Controle - região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa.
3.1.2. PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO MICROSCÓPICO
MACROSCÓPICO - trata do comportamento global, inteiro do sistema. Nenhum modelo de estrutura molecular, atômica ou subatômica é utilizado diretamente. Este tratamento é o aplicado na termodinâmica CLÁSSICA. O sistema é tratado como um continuum.
MICROSCÓPICO - tratamento que leva em conta a estrutura da matéria. É chamada de termodinâmica ESTATÍSTICA. O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas e relacioná-lo com o comportamento macroscópico do sistema.
3.2	 PROPRIEDADE, ESTADO, PROCESSO E EQUILÍBRIO
PROPRIEDADE - características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA
ESTADO - condição do sistema, como descrito por suas propriedades. como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.
PROCESSO - mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades.
ESTADO ESTACIONÁRIO - nenhuma propriedade muda com o tempo.
CICLO TERMODINÂMICO - sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. 
Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.
3.2.1 PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS
EXTENSIVAS
Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido.
Dependem do tamanho e extensão do sistema.
Seus valores podem variar com o tempo.
Exemplo: massa, energia, volume.
INTENSIVAS 
Não são aditivas, como no caso anterior.
Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.
Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.
Exemplo: temperatura e pressão.
3.2.2	 FASE E SUBSTÂNCIA PURA
FASE 	
Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física.
Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa.
Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor.
Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma simples fase.
SUBSTÂNCIA PURA 
 
É invariável em composição química e é uniforme.
Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.
 EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO:
UNIFORMIDADE DE PROPRIEDADES NO EQUILÍBRIO: não variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura.
PROCESSO QUASE-ESTÁTICO: processo idealizado composto de uma sucessão de estados de equilíbrio, representando cada processo um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior.Esses processos representam a base para comparação dos processos reais.
PROCESSOS REAIS: são compostos por sucessão de estados de não equilíbrio (não uniformidade espacial e temporal das propriedades, e variações locais com o tempo).
3.3	 UNIDADES PARA MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA
3.3.1 Sistemas de Medidas
Grandezas – Comprimento, tempo, massa, temperatura, pressão, resistência elétrica, etc.
Unidade – medida de grandeza cujo valor é definido exatamente como 1,0.
Padrão – referência com a qual devem ser comparados todos os outros exemplos de grandeza.
3.3.2	 Sistema Internacional de Unidades (SI)
Grandezas Fundamentais – Comprimento, Massa e Tempo, Força e Temperatura
Unidades Secundárias – são definidas em função das unidades das grandezas fundamentais.
Grandeza Nome da Unidade Símbolo
Comprimento metro m
Tempo segundo s
Massa quilograma kg
3.3.3	 Mudanças de Unidades
Método de conversão em cadeia – multiplica-se a medida original por um fator de conversão (uma relação entre unidade que é igual a 1).
Exemplo: 
3.3.4	 Prefixos das unidades do SI (Sistema Internacional de Unidades)
 
	Fator
	Prefixo
	Símbolo
	Fator
	Prefixo
	Símbolo
	1024
	iota
	Y
	10-24
	iocto
	y
	1021
	zeta
	Z
	10-21
	zepto
	z
	1018
	exa
	E
	10-18
	ato
	a
	1015
	peta
	P
	10-15
	fento
	f
	1012
	tera
	T
	10-12
	pico
	p
	109
	giga
	G
	10-9
	nano
	n
	106
	mega
	M
	10-6
	micro
	μ
	103
	quilo
	k
	10-3
	mili
	m
	102
	hecto
	h
	10-2
	centi
	c
	101
	deca
	da
	10-1
	deci
	d
3.3.5 Sistema internacional de unicade e o sistema ingles
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3.4		Conversão de Unidades
3.4.1	Temperatura
3.4.2		Comprimento
1 ft (pé) = 12” = 0,3048 m =30,48 cm
1” = 2,54 cm (1” = 1 in = 1 polegada)
1 m = 39,37” =3,28083 ft (ou 3,281 ft)
1 µ = 10-3 mm
Área
1 m2 = 10,76 m2 = 1550 in2 = 104cm2
1 ft2 = 144 in2 = 0,0929 m2
Volume
1 ft3 = 28,32 l = 1728 in3 = 7,48 gal (galão)
1 m3 = 35,31 ft3
1 in3 = 16,39 cm3
1 gal (galão americano) =3,785 l = 0,1337 ft3 = 231 in3
1 bbl (barril ou U.S barrel) = 42 gal = 158,97 l
Massa 
1 lb (libra,Pound) = 453,59 g = 0,45359 kg
1 kg = 2,205 lb
1 t = 1000kg = 2205 lb
Massa específica
1 g/cm3 = 62,4 lb/ft3
Vazão
1 ton/h = 16,66 kg/min = 0,2777 kg/s
1 m3/h = 16,66 l/min = 0,2777 l/s
1 gpm (galão/min) = 3,785 l/min = 227,1 l/h 
Pressão
1 atm* = 760 mmHg = 10,33 m H2O = 29,92 in Hg =33,93 ft H2O= 14,696 psi
* = ( atmosfera física = 1,033 kg/cm2)
1 psi = 0,0703 Kg/cm2 = 2,309 ft2
1 atm técnica = 1 Kg/cm2 = 0,9678 atm física
 Energia
1 kcal = 1000 cal = 3,966 Btu
1 Btu = 252 cal = 0,252 Kcal = 0,293 watt.h = 778 ft.lb
1 Kgm = 7,2 ft.lb
1HP.h = 2545 Btu = 2,737x105 Kgm
1 watt.h = 3,413 Btu
Potência
1 HP = 76,04 Kgm/s = 550 ft.lb/s = 0,7457 kw = 33000 ft.lb/min = 1,014 CV
1 CV = 75 kgm/s
1 watt = 14,34 cal/min = 44,24 ft.lb/min
1 kw = 1,3415 HP = 56,92 Btu/min
1 Btu/min = 0,0236 HP
Viscosidade
1 poise = 1g/cms = 100 cp
1 cp = 0,01 p = 0,001kg/ms=3,6 kg/mh= 0,000672 lb/fts = 2,42 lb/fth
Condutividade térmica
K em Kcal/hm2.(oC/m) = 1,488 x k em Btu/hft2.(oF/ft)
k em Btu/hft2.(oF/in) = 12 x Btu/hft2.(oF/ft)
Coeficientes de transmissão de calor
h ou U em Kcal/hm2oC = 4,88 x h ou U em Btu/hft2 oF
Constantes
R = 0,082 (atm.l)/(oK.mol) = 1,987 cal/(oK.mol)= 1546 (ft.lb)/(oR.lbmol)
J = 4,18 j/cal = 778 ft.lb/Btu=427kgm/kcal
g = 981 cm/s2 = 9,81 m/s2 = 32,2 ft/s2 = 4,18 x 108 ft/h2
volume molar = 22,41 l/mol = 359 ft3/lbmol nas CNTP.
Grandezas secundárias
4.1	Densidade
Densidade ou massa específica é a grandeza que expressa a massa por unidade de volume
4.2	 Volume específico é o inverso da densidade ou massa específica
Densidade molar
 
Volume molar
Densidade para soluções
4.5.1 Solução homogênea (sob certas condições)
OBS: Em certas condições o calculo acima não pode ser aplicado, veja a figura abaixo.
Densidade relativa
Relação entre duas densidades – a densidade da substância de interesse A, dividida pela densidade da substância de referência.
d.r de A
OBS : a substância de referência para Líquidos e sólidos é normalmente a água a 4º C, d=1,000 g/cm3.
Vazão 
Vazão mássica 
 , onde m é a massa transportada por unidade de tempo t.
Vazão volumétrica 
 , onde V é o volume transportado por unidade de tempo t.
Vazão molar 
 , onde n é o número de mols transportado por unidade de tempo t.
Termodinâmica – Aula 1
Prof. Ms Wladimir
Estudo dirigido 
1	Identificando as Interações entre Sistemas
Exemplo:
Um gerador elétrico à turbina eólica é montado no topo de uma torre. A eletricidade é gerada à medida que o vento incide constantemente nas pás da turbina. A saída elétrica do gerador alimenta uma bateria de armazenamento.
 
Considerando apenas o gerador elétrico à turbina eólica como o sistema, identifique locais na fronteira do sistema onde se dão as interações com a vizinhança. Descreva as mudanças que ocorrem no interior do sistema com o tempo. 
Repita o problema considerando um sistema que inclua somente a bateria de armazenamento
Solução:
Dados: Um gerador elétrico a turbina eólica fornece eletricidade a uma bateria
Determinar: Para um sistema consistindo em (a) gerador elétrico a turbina eólica e (b) bateria de armazenamento, identifique os locais onde o sistema interage com a vizinhança e escreva as mudanças no interior do sistema com o tempo.
Hipóteses: 1	No item (a) o sistema é o volume de controle mostrado na figura por linhas tracejadas
2 	No item (b) o sistema é fechado mostrado na figura por linhas tracejadas
		3	A velocidade do vento é constante
Análise:
Neste caso o ar escoa através da fronteira do volume de controle. uma outra interação principal entre o sistema e a vizinhança é a corrente elétrica que passa pelos fios. Entretanto sobre a perspectiva macroscópica, tal interação não é considerada uma transferência de massa. Com o vento uniforme, a turbina do gerador possivelmente atingirá um regime estacionário, em que a velocidade de rotação das pás é constante e uma corrente elétrica constante será gerada. Uma interação também ocorre entre a torre do turbogerador e o chão, uma força e um momento são necessários para manter a torre de pé (ereta).
A principal interação entre o sistema e sua vizinhança é a corrente elétrica que passa para a bateria através dos fios conforme observado em (a) esta interação não é considerada uma transferência de massa. O sistema é um sistema fechado. À medida que a bateria é carregada e ocorrem reações químicas dentro dela, a temperatura da superfície da bateria pode se tornar um pouco elevada e uma interação térmica pode ocorrer entre a bateria e sua vizinhança. Essa interação térmica pode ocorrer entre a bateria e sua vizinhança. Essa interação será considerada de importância secundária.
6	TRABALHO 
Definição : sempre que uma força atua sobre uma distancia , há um trabalho realizado. A quantidade de trabalho pode ser escrita pela equação:
dW = F.dl (1)
F é a componente da força que atua na direção do deslocamento dl.
6.1	TRABALHO DE EXPANSÂO e COMPRESSÂO
Trabalho de Compresão e Expansão de um fluido num cilindro mediante a movimentação de um pistão
A força exercida pelo pistão sobre o fluido é dado po: produto da área do pistão pela pressão do fluido. O deslocamento do pistão é igual a variação de volume dividido pela área do pistão:
Portanto de (1) temos:
 → 
 (2)
Integrando temos:
 (3) - Expressão do trabalho realizado como resultado de uma compressão finita ou de um processo de expansão.
Este trabalho pode ser representado pela área hachurada da figura abaixo, onde um gás com volume V1 à pressão P1 é comprimido até a presssão P2 com volume V2.
A unidade SI de trabalho é newton-metro denominado joule (J).
7	ENERGIA 
O conceito de energia está fundamentado na 2ª Lei de movimento de Newton e no trabalho:
Então da eq. (1) temos:
dW = F.dl 
Mas : F=m.a logo: 
dW = m.a.dl (4)
Onde m= massa e a = aceleração :
Podemos escrever a a celeração como: 
 (5) variação da velocidade com o tempo:
Portanto reescrevendo a equação (4) temos:
 (5) 
Más: 
 (6)
Substituindo (6) em (5) temos:
 (7)
A equação 7 pode ser integrada quando houver uma variação finita de velocidade de u1 até u2.
Então:
 → 
 → 
 → 
 (8) 
O termo 
 foi chamado de energia cinética 
Quando um corpo de massa m é levantado de uma altura inicial z1 para uma altura final z2, é necessario aplicar sobre ele uma força de pelo menos igual ao peso do corpo e esta força deve deslocar-se ao longo de z2 – z1. Uma vez que o peso do corpo é resultado é resultado da ação da gravidade sobre ele, a força mínima necessária .
F=mg
Onde g é aceleração local da gravidade. 
O trabalho mínimo para suspender o corpo é igual ao produto desta força pela variação de cota.
Então temos:
Da equação (1) dW = F.dl → 
 →
 ou 
 ou 
 (9)
O termo 
 foi chamado de energia potencial. 
Resumindo :
O trabalho de aceleração de um corpo provoca uma modificação na sua energia cinética, ou:
 (10)
O trabalho feito sobre o corpo para elevá-lo produz uma alteração na sua energia potencial (gravitacional), ou:
 (11)
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