Resumo dos capítulos 1, 2 e 3 Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química Smith, Van Ness 7 ed.

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Resumo dos capítulos 1, 2 e 3 – Introdução à Termodinâmica da 
Engenharia Química Smith, Van Ness 7ª ed. 
 
Capítulo 1 - Introdução 
A termodinâmica é uma ciência que estuda as relações entre calor e trabalho, bem como a 
energia, propriedades e comportamento dos sistemas termodinâmicos. É uma disciplina 
fundamental para a engenharia química, pois a maioria dos processos químicos envolve a 
transferência de energia, seja na forma de calor ou trabalho. 
Sistema, vizinhança e tipos de sistema: 
• Sistema: é a parte do universo que é selecionada para análise. Um sistema pode ser 
qualquer coisa, desde um recipiente contendo uma substância química até um motor 
de carro. 
• Vizinhança: é tudo o que não faz parte do sistema. A vizinhança pode ser o ar ao redor 
do recipiente ou o ambiente externo ao motor do carro. 
• Tipos de sistema: existem três tipos de sistemas termodinâmicos: abertos, fechados e 
isolados. 
• Sistema aberto: permite que a matéria e a energia sejam transferidas entre ele 
e a vizinhança. Exemplo: um reator químico em que as matérias-primas são 
alimentadas continuamente e produtos são retirados do reator. 
• Sistema fechado: permite que a energia seja transferida entre ele e a vizinhança, 
mas a matéria é mantida constante. Exemplo: uma garrafa térmica contendo 
um líquido quente. 
• Sistema isolado: não permite que a matéria ou energia sejam transferidas entre 
ele e a vizinhança. Exemplo: um recipiente termicamente isolado contendo um 
bloco de gelo. 
EXEMPLOS RESOLVIDOS 
1.1. Uma xícara de café contém uma quantidade de energia que pode ser medida em calorias. 
Descreva a relação entre a energia contida na xícara de café e a temperatura do café. 
Resolução: A energia contida na xícara de café está diretamente relacionada à temperatura do 
café. Quanto mais quente o café estiver, maior será a quantidade de energia contida nele. Esse 
fato está relacionado à definição de energia térmica como a energia associada às vibrações das 
moléculas de uma substância. Como a temperatura está diretamente relacionada à velocidade 
de vibração das moléculas, uma substância mais quente contém mais energia térmica do que 
uma substância mais fria. 
1.2. A termodinâmica é uma ciência fundamental que se aplica a diversos campos. Descreva 
alguns exemplos de aplicações da termodinâmica. 
Resolução: A termodinâmica é uma ciência fundamental que se aplica a diversos campos, como 
engenharia química, engenharia mecânica, física, química e biologia. Alguns exemplos de 
aplicações da termodinâmica incluem o projeto de motores a combustão interna, o 
desenvolvimento de tecnologias de produção de energia renovável, o estudo de reações 
químicas em processos industriais, o projeto de usinas termelétricas e a compreensão da 
termodinâmica dos processos biológicos, como a respiração celular. 
1.3. O que é um sistema termodinâmico e quais são os tipos de sistemas termodinâmicos? 
Resolução: Um sistema termodinâmico é uma porção da matéria ou do espaço físico que é 
escolhida para ser estudada em um problema de termodinâmica. Os sistemas termodinâmicos 
são divididos em três categorias principais: sistemas fechados, sistemas abertos e sistemas 
isolados. Um sistema fechado é um sistema que não troca massa com a vizinhança, mas pode 
trocar energia. Um sistema aberto é um sistema que pode trocar tanto energia quanto massa 
com a vizinhança. Um sistema isolado é um sistema que não troca massa ou energia com a 
vizinhança. 
1.4. O que é uma transformação termodinâmica e quais são os tipos de transformações 
termodinâmicas? 
Resolução: Uma transformação termodinâmica é uma mudança de estado de um sistema 
termodinâmico de um estado inicial para um estado final. Existem quatro tipos de 
transformações termodinâmicas: isobárica (a pressão do sistema permanece constante), 
isocórica (o volume do sistema permanece constante), isotérmica (a temperatura do sistema 
permanece constante) e adiabática (nenhuma troca de calor ocorre entre o sistema e a 
vizinhança). 
Capítulo 2 - Conceitos básicos e definições 
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas 
transformada de uma forma em outra. Essa lei é importante porque ela estabelece que a energia 
é uma grandeza conservativa. A segunda lei da termodinâmica afirma que o calor flui 
naturalmente de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca o contrário, a menos que 
seja fornecido trabalho. Essa lei estabelece a direção natural do fluxo de energia. O equilíbrio 
termodinâmico é o estado em que não há variação de propriedades termodinâmicas ao longo 
do tempo. 
Entalpia: 
• A entalpia é a soma da energia interna de um sistema e da pressão multiplicada pelo 
volume do sistema. Ela é representada pela letra H e é medida em joules. 
• A equação da entalpia pode ser escrita como H = U + PV, onde U é a energia interna do 
sistema, P é a pressão e V é o volume. 
• Exemplo: Considere um recipiente de 1 litro que contém um gás a uma pressão de 1 atm 
e temperatura de 25°C. Se a pressão do gás for mantida constante enquanto ele é 
aquecido até 50°C, a entalpia do sistema aumentará devido ao aumento da energia 
interna e do volume do gás. 
Eficiência de uma máquina térmica: 
• A eficiência de uma máquina térmica é definida como a razão entre a energia útil gerada 
pela máquina e a energia total fornecida à máquina. 
• A eficiência ideal de uma máquina térmica é dada pela equação: ε = 1 - Tc/Th, onde Tc 
é a temperatura na qual a máquina rejeita calor e Th é a temperatura na qual a máquina 
absorve calor. 
• Exemplo: Uma usina termelétrica converte a energia térmica da queima de carvão em 
energia elétrica. A temperatura do vapor no início do ciclo é de 500°C e a temperatura 
na saída é de 100°C. A eficiência ideal da usina termelétrica é dada por ε = 1 - 373/773 
= 0,52. 
 
EXEMPLOS RESOLVIDOS 
 
Questão 1: Um balão de 1,5 m³ é carregado com ar seco a 20 °C e 1 atm. Qual é a massa de ar 
no balão? Considere que o ar seja um gás ideal e que a constante universal dos gases seja R = 
8,31 J/(mol·K). 
Resolução: O volume do balão é V = 1,5 m³. A temperatura é T = 20 °C = 293,15 K, e a pressão é 
P = 1 atm = 101,325 kPa. A massa de ar no balão é dada por: 
d = n·M onde n é o número de mols de ar e M é a massa molar do ar. 
A partir da equação dos gases ideais, temos: 
PV = nRT n = PV/(RT) n = (101,325 Pa) (1,5 m³) / [(8,31 J/(mol·K)) (293,15 K)] n = 0,0747 mol 
A massa molar do ar é de 28,97 g/mol, então: 
d = n·M d = (0,0747 mol) (28,97 g/mol) d = 2,17 g 
Portanto, a massa de ar no balão é de 2,17 g. 
Questão 2: Uma mistura de ar e vapor d'água é armazenada em um recipiente de volume 
constante. A pressão total é de 100 kPa, e a fração mássica de vapor é de 0,2. Determine a 
pressão parcial do vapor d'água em kPa. 
Resolução: A pressão total é de 100 kPa e a fração mássica de vapor é de 0,2, o que significa que 
a fração mássica de ar é de 0,8. Podemos então escrever: 
P = P_A + P_V onde P_A é a pressão parcial do ar e P_V é a pressão parcial do vapor d'água. 
A fração mássica de ar pode ser usada para encontrar a pressão parcial do ar: 
P_A = X_A·P = (0,8) (100 kPa) = 80 kPa 
A pressão parcial do vapor d'água é então: 
P_V = P - P_A = 100 kPa - 80 kPa = 20 kPa 
Portanto, a pressão parcial do vapor d'água é de 20 kPa. 
Questão 3: Um cilindro rígido contém 5 kg de hélio a 100 kPa e 20 °C. Qual é o volume do 
cilindro? Considere que o hélio seja um gás ideal e que a constante universal dos gases seja R 
= 8,31 J/(mol·K). 
Resolução: A massa de hélio no cilindro é m = 5 kg. A temperatura é T = 20 °C = 293,15 K, e a 
pressão é P = 100 kPa. A constante específica do hélio é R_h = 2077 J/(kg·K), e a massa molar é 
M_h = 4 g/mol. O 
Questão 4: Um cilindro de aço com volume interno de 0,5 m³ é preenchido com ar comprimido 
a 5 MPa e 400 K. O cilindro é então imerso em um banho de água em ebulição e o vapor entra 
no cilindroaté que a pressão interna seja 1 MPa. Determine a quantidade de calor transferida 
para o ar, a variação de entropia do ar e a quantidade de trabalho feita pelo ar no cilindro 
durante este processo. 
Resolução: 
• A quantidade de calor transferida para o ar é determinada pela primeira lei da 
termodinâmica: Q = U2 - U1 - W, onde U2 e U1 são as energias internas do ar nos estados 
2 e 1, respectivamente, e W é a quantidade de trabalho feita pelo ar no cilindro durante 
o processo. Como o cilindro é rígido, o trabalho é dado por W = P(V2 - V1), onde P é a 
pressão constante do processo e V2 e V1 são os volumes específicos do ar nos estados 
2 e 1, respectivamente. A variação da energia interna do ar é dada por U2 - U1 = mCv(T2 
- T1), onde m é a massa do ar, Cv é a capacidade calorífica específica a volume constante 
do ar e T2 e T1 são as temperaturas nos estados 2 e 1, respectivamente. 
• A variação de entropia do ar é determinada pela equação de Clausius: ΔS = mCp 
ln(T2/T1) - mR ln(P2/P1), onde Cp é a capacidade calorífica específica a pressão 
constante do ar e R é a constante dos gases. 
• A quantidade de trabalho feita pelo ar no cilindro é dada por W = P(V2 - V1), onde P é a 
pressão constante do processo e V2 e V1 são os volumes específicos do ar nos estados 
2 e 1, respectivamente. 
Substituindo os valores conhecidos: 
• P1 = 5 MPa 
• T1 = 400 K 
• P2 = 1 MPa 
• V1 = 0,5 m³ 
• m = PV/RT = P1V1/RT1 
• V2 = mRT2/P2 = P1V1T2/(P2T1) 
• Cp = 1,005 kJ/kg.K (para o ar) 
• Cv = 0,718 kJ/kg.K (para o ar) 
• R = 0,287 kJ/kg.K (para o ar) 
Obtemos os seguintes resultados: 
• Q = -3,9 MJ 
• ΔS = 3,7 kJ/K 
• W = -2,2 MJ 
Portanto, a quantidade de calor transferida para o ar é de -3,9 MJ, a variação de entropia do ar 
é de 3,7 kJ/K e a quantidade de trabalho feita pelo ar no cilindro durante este processo é de -
2,2 MJ. 
Questão 5: Um sistema contendo 0,3 kg de água líquida é aquecido a pressão constante de 
100 kPa até que 40% da massa tenha evaporado. Determine a quantidade de calor necessária 
para completar este processo. 
Resolução: 
Para determinar a quantidade de calor transferido, podemos usar a primeira lei da 
termodinâmica para sistemas fechados: 
Q = ΔU + W 
Onde Q é a quantidade de calor transferido, ΔU é a variação da energia interna do sistema e W 
é o trabalho realizado pelo sistema. Como o sistema é fechado e o pistão é livre, não há trabalho 
realizado pelo sistema (W = 0). Portanto, podemos escrever: 
Q = ΔU 
A variação da energia interna pode ser calculada a partir da equação: 
ΔU = U2 - U1 
Onde U1 é a energia interna inicial e U2 é a energia interna final. Para calcular U1 e U2, podemos 
usar a tabela de propriedades termodinâmicas da água: 
U1 = uf(T1) = 417,47 kJ/kg U2 = uf(T2) = 448,26 kJ/kg 
Substituindo na equação de variação de energia interna, temos: 
ΔU = U2 - U1 = 30,79 kJ/kg 
Portanto, a quantidade de calor transferido é igual à variação da energia interna: 
Q = ΔU = 30,79 kJ/kg 
A variação da entropia pode ser calculada a partir da equação: 
ΔS = S2 - S1 = q/T 
Onde q é o calor transferido e T é a temperatura absoluta média do processo. A temperatura 
absoluta média pode ser calculada como: 
Tméd = (T1 + T2)/2 = (100 + 273,15 + 373,15)/2 = 323,15 K 
Substituindo os valores de q e Tméd na equação de variação da entropia, temos: 
ΔS = q/Tméd = 30,79/(323,15) = 0,0951 kJ/(kg.K) 
Portanto, a variação da entropia do sistema é de 0,0951 kJ/(kg.K) 
 
Capítulo 3 - Propriedades de uma substância pura 
As propriedades termodinâmicas de uma substância pura são importantes para a compreensão 
de muitos processos químicos. Algumas das propriedades termodinâmicas importantes são: 
pressão, temperatura, volume específico, energia interna, entalpia e entropia. Essas 
propriedades são relacionadas entre si através de equações de estado. 
Equação de estado dos gases ideais: 
• A equação de estado dos gases ideais é uma equação que descreve o comportamento 
de um gás ideal em termos de suas propriedades termodinâmicas. A equação de estado 
dos gases ideais é dada por PV = nRT, onde P é a pressão, V é o volume, n é o número 
de mols, R é a constante universal dos gases e T é a temperatura em Kelvin. 
• Exemplo: Considere um recipiente de 2 litros contendo 1 mol de gás ideal a uma 
temperatura de 273 K e pressão de 1 atm. Se a temperatura for aumentada para 373 K, 
qual será a nova pressão do gás? Usando a equação de estado dos gases ideais, PV = 
nRT, temos que a nova pressão será P = nRT/V = (1 mol)(0,0821 L atm/mol K)(373 K)/(2 
L) = 15,8 atm. 
Diagrama de fases: 
• Um diagrama de fases é um gráfico que mostra as condições de pressão e temperatura 
nas quais uma substância existe em diferentes fases (sólido, líquido e gasoso). 
• As linhas que separam as diferentes regiões no diagrama de fases são chamadas de 
curvas de equilíbrio. Elas representam as condições de equilíbrio entre as fases em um 
sistema. 
• Exemplo: O diagrama de fases da água mostra que a água sólida (gelo) existe em 
temperaturas abaixo de 0°C e pressões inferiores a 1 atm, enquanto a água líquida existe 
em temperaturas entre 0°C e 100°C e pressões inferiores a 1 atm. Acima de 100°C, a 
água existe apenas na forma de vapor. A curva de equilíbrio entre o gelo e a água líquida 
é conhecida como linha de solidus, enquanto a curva de equilíbrio entre a água líquida 
é conhecida como linha de solidus, enquanto a curva de equilíbrio entre a água líquida 
e o vapor é chamada de linha de vapor. 
• O ponto onde as três curvas de equilíbrio se encontram é conhecido como ponto triplo 
da água, que é a única temperatura e pressão em que as três fases coexistem em 
equilíbrio. 
• Exemplo: Suponha que se tem um sistema contendo água e gelo a uma temperatura de 
-10°C e pressão de 1 atm. Se o sistema for aquecido lentamente, a água começará a 
derreter até que todo o gelo tenha se convertido em água líquida a uma temperatura 
de 0°C e pressão de 1 atm. Nesse ponto, a água começará a evaporar até que todo o 
líquido tenha se convertido em vapor de água a uma temperatura de 100°C e pressão 
de 1 atm. 
Diagrama de Mollier: 
• O diagrama de Mollier é um gráfico que representa as propriedades termodinâmicas de 
uma substância pura em função da entalpia e entropia. 
• É um gráfico muito utilizado na engenharia química para análise e projeto de processos 
termodinâmicos. 
• Exemplo: Suponha que se deseje determinar a entalpia específica da água a 80°C e 
pressão de 1 atm. Usando o diagrama de Mollier, podemos traçar uma linha vertical a 
partir do ponto de interesse até a curva de saturação correspondente à pressão de 1 
atm. A interseção dessa curva com a linha vertical fornece a entalpia específica da água 
a 80°C e 1 atm. 
Primeira Lei da Termodinâmica: 
• A primeira lei da termodinâmica é um princípio fundamental que estabelece a 
conservação da energia em um sistema termodinâmico. 
• Ela relaciona a variação da energia interna de um sistema com a energia que entra e sai 
do sistema na forma de calor e trabalho. 
• A equação que representa a primeira lei da termodinâmica é: ΔU = Q - W, onde ΔU é a 
variação da energia interna, Q é o calor que entra no sistema e W é o trabalho realizado 
pelo sistema. 
• Exemplo: Suponha que se tem um sistema fechado que recebe 500 J de calor e realiza 
200 J de trabalho. Se a energia interna do sistema aumentou em 100 J, então ΔU = 100 
J, Q = 500 J e W = -200 J (o sinal negativo indica que o sistema realizou trabalho). 
Substituindo na equação da primeira lei, temos: 100 J = 500 J - (-200 J), o que leva a uma 
verificação da conservação da energia. 
Processos Termodinâmicos: 
• Um processo termodinâmico é uma transformação que ocorre em um sistema 
termodinâmico, levando-o de um estado de equilíbrio para outro estado de equilíbrio. 
• Existem vários tipos de processos termodinâmicos, como processos isobáricos (pressão 
constante), isocóricos (volume constante) e isotérmicos(temperatura constante). 
• Cada tipo de processo termodinâmico tem uma equação própria que relaciona as 
variáveis de estado do sistema, como pressão, volume e temperatura. 
• Exemplo: Suponha que se tem um sistema contendo um gás ideal a uma pressão de 1 
atm e volume de 1 L. Se o sistema for comprimido isobaricamente até um volume de 
0,5 L, então o trabalho realizado pelo sistema será W = -PΔV = -1 atm x (0,5 L - 1 L) = 0,5 
J. Se a temperatura do gás se mantiver constante durante o processo, então ΔU = 0, e a 
primeira lei da termodinâmica se reduz a Q = -W, o que significa que o calor transferido 
para o ambiente será Q = -0,5 J 
 
EXEMPLOS RESOLVIDOS 
 
Questão 1: Um tanque de ar comprimido de 500 litros é usado para armazenar gás a uma 
pressão de 5 bar. O tanque é resfriado a 20°C com a ajuda de um sistema de resfriamento. 
Determine a nova pressão no tanque se o volume permanecer constante. 
Resolução: A temperatura do gás diminuiu, portanto, de acordo com a lei de Charles, a pressão 
também deve diminuir. A lei de Charles afirma que a pressão de um gás ideal é diretamente 
proporcional à sua temperatura. Como o volume permanece constante, a relação a ser usada é 
P1/T1 = P2/T2. Convertendo as unidades de temperatura para Kelvin, temos: 
P1/T1 = P2/T2 5 bar / (20°C + 273,15) K = P2 / (20°C + 273,15) K P2 = 4,35 bar 
Portanto, a nova pressão no tanque é de 4,35 bar. 
Questão 2: Um pistão contendo 0,5 m3 de gás é comprimido de uma pressão de 1 bar para 4 
bar, enquanto a temperatura permanece constante a 25°C. Determine o trabalho realizado 
pelo gás durante o processo. 
Resolução: Como a temperatura permanece constante, podemos usar a lei de Boyle para 
determinar o trabalho realizado pelo gás: 
W = - Pext * ΔV 
onde Pext é a pressão externa e ΔV é a variação no volume do gás. Como o processo é isoterma, 
o volume é constante e ΔV é igual a zero, portanto, o trabalho realizado pelo gás é zero. 
Questão 3: Um motor de combustão interna recebe 1500 kJ de calor e realiza 750 kJ de 
trabalho. Determine a variação de energia interna do motor. 
Resolução: A variação de energia interna (ΔU) é a diferença entre o calor recebido pelo sistema 
(Q) e o trabalho realizado pelo sistema (W): 
ΔU = Q - W ΔU = 1500 kJ - 750 kJ ΔU = 750 kJ 
Portanto, a variação de energia interna do motor é de 750 kJ. 
Questão 4: Um motor a gás opera a uma temperatura de 800°C e tem uma eficiência térmica 
de 30%. Determine a quantidade de calor adicionada ao sistema durante um ciclo de operação 
em que 1000 kJ de trabalho foram realizados. 
Resolução: A eficiência térmica (η) é definida como a razão entre o trabalho realizado (W) e o 
calor adicionado (Q) ao sistema: 
η = W / Q 
Rearranjando a equação, podemos obter a quantidade de calor adicionada: 
Q = W / η Q = 1000 kJ / 0,30 Q = 3333,33 kJ 
Portanto, a quantidade de calor adicionada ao sistema é de 3333,33 kJ 
Questão 5: Uma barra de aço inicialmente a 300 K é aquecida em um forno a uma taxa 
constante de 20 K/min até que a temperatura da barra alcance 800 K. Determine a quantidade 
de calor transferida para a barra durante esse processo. 
Resolução: 
• Primeiramente, precisamos determinar a variação de temperatura da barra: ΔT = 800 K 
- 300 K = 500 K 
• A taxa de aquecimento é dada como 20 K/min, o que significa que a variação de 
temperatura ocorre em: t = ΔT / (taxa de aquecimento) = 500 K / (20 K/min) = 25 min 
• Podemos usar a equação geral de transferência de calor para calcular a quantidade de 
calor transferida: Q = mCΔT Onde m é a massa da barra, C é a capacidade calorífica do 
aço e ΔT é a variação de temperatura da barra. 
• A massa da barra não é fornecida na questão, mas podemos estimar usando a densidade 
do aço (cerca de 7,8 g/cm³) e o volume da barra. Supondo que a barra tenha um 
comprimento de 30 cm, uma largura de 5 cm e uma espessura de 2 cm, seu volume seria 
de: V = 30 cm x 5 cm x 2 cm = 300 cm³ 
• A massa da barra seria então: m = densidade x volume = 7,8 g/cm³ x 300 cm³ = 2340 g = 
2,34 kg 
• A capacidade calorífica do aço varia com a temperatura, mas podemos usar um valor 
médio para simplificar a resolução. Um valor típico para a capacidade calorífica do aço 
é de 0,45 J/g K, o que significa que C = 0,45 J/g K x 1000 g/kg = 450 J/kg K. 
• Substituindo os valores na equação de transferência de calor, temos: Q = mCΔT = 2,34 
kg x 450 J/kg K x 500 K = 525 150 J 
• Portanto, a quantidade de calor transferida para a barra durante o aquecimento é de 
525 150 J.