termodinamica sld_1

Prévia do material em texto

Unidade I 
 
 
 
 
TERMODINÂMICA BÁSICA 
 
 
 
 
Prof. Ariathemis Bizuti 
Termodinâmica 
 Estudar a energia e sua transformação. 
 
 Processos industriais: da concepção de motores, turbinas 
e máquinas até a utilização da energia para o aquecimento 
e resfriamento. 
 
Estudo dividido em duas partes: 
 Primeiro – estudo dos conceitos básicos. 
 
 Segundo – utilização de modelos matemáticos 
para explicar o modelo estudado. 
Dimensões e unidades 
 Grandeza física: necessita de um número e uma dimensão. 
 
 Dimensão – é representada pelo sistema de unidade adotado 
para o estudo. 
 
 Sistema Internacional de unidades – adotado na maioria dos 
países, inclusive no Brasil, considera o quilograma (kg) como 
unidade de massa, metro (m) como unidade de comprimento, 
segundo (s) como unidade de tempo e kelvin (K) como 
unidade de temperatura. 
 
 Grandezas adimensionais – não necessitam de uma 
dimensão, apresentando apenas um número para indicá-las. 
 
Propriedades termodinâmicas 
 Sistema – caracteriza-se pela quantidade de matéria (massa). 
 Propriedade é qualquer grandeza que define um sistema. 
 Propriedade extensiva – depende da massa, por exemplo, 
volume, energia total. 
 Propriedade intensiva – não depende da massa, por exemplo, 
temperatura, pressão. 
 Estado – quantidade física que especifica o sistema. 
 Processo ocorre quando há alteração do estado. 
 Regime permanente – as propriedades do sistema 
não se alteram. 
 
Massa específica e volume específico 
 Massa específica: razão entre a massa (kg) e o volume (m3). 
 
 
 
 Densidade relativa: relaciona uma massa específica desejada 
com a massa específica padrão. 
 
 
 Volume específico: razão entre o volume (m3) e a massa (kg), 
ou seja, é o inverso da massa específica. 
Pressão 
 Pressão: relaciona a força aplicada sobre uma área específica. 
 Unidade no SI: newton (N) por metro ao quadrado (m2), ou 
pascal (Pa). 
 Pressão em fluido: a pressão de uma coluna de fluido 
varia com a profundidade, sendo denominada pressão 
manométrica. 
 
 Em termodinâmica é comum utilizar a temperatura absoluta. 
 
 
 Pressão atmosférica: considerando o nível do mar, o seu valor 
equivale a 760 mmHg, ou 101325 Pa. 
Escalas de temperatura 
 Temperatura: medida da energia cinética das moléculas 
da substância, ou seja, sua agitação molecular. 
 
 Lei Zero da Termodinâmica: dois objetos em equilíbrio 
térmico, quando em contato com um terceiro objeto, até o 
equilíbrio térmico apresentarão a mesma temperatura. 
 
 Cuidado! 
 
 Temperatura e calor não são a mesma coisa. 
 
 Calor mede a energia que se transfere de um objeto a outro. 
Escalas de temperatura 
 Celsius ⇋ Fahrenheit 
 
 
 
 Kelvin ⇋ Celsius 
 
 Rankine ⇋ Fahrenheit 
 
 Rankine ⇋ Kelvin 
Fonte: Young (2008, p. 184). Adaptado. 
Energia 
 Lei da Conservação: a energia não é criada nem destruída, 
apenas transformada. 
 Energia Cinética: mede a energia do movimento. 
 
 
 Energia Potencial: representa um acumulador de energia. 
 
 Energia Interna: relacionada à vibração molecular do sistema. 
 Energia Total: é a somatória de todas as energias presentes 
no sistema. 
 
Interatividade 
Você introduz um termômetro em uma panela de água quente 
e registra a leitura. Que temperatura você registrou? 
 
a) A temperatura da água. 
b) A temperatura do termômetro. 
c) Uma média aritmética das temperaturas da água 
e do termômetro. 
d) Uma média ponderada das temperaturas da água 
e do termômetro, sendo que o peso da temperatura 
da água é maior. 
e) Uma média ponderada das temperaturas da água 
e do termômetro, sendo que o peso da temperatura 
do termômetro é maior. 
Resposta 
Você introduz um termômetro em uma panela de água quente 
e registra a leitura. Que temperatura você registrou? 
 
a) A temperatura da água. 
b) A temperatura do termômetro. 
c) Uma média aritmética das temperaturas da água 
e do termômetro. 
d) Uma média ponderada das temperaturas da água 
e do termômetro, sendo que o peso da temperatura 
da água é maior. 
e) Uma média ponderada das temperaturas da água 
e do termômetro, sendo que o peso da temperatura 
do termômetro é maior. 
 
Propriedades de substâncias puras 
 Substância pura – qualquer elemento que apresente 
as mesmas propriedades em toda a sua extensão. 
 
 Fases – uma substância pode ser apresentada como um 
sólido, um líquido ou um gás. 
 
 Termodinâmica – líquidos e gases – fluidos. 
 
 Fluido – é uma substância que escoa enquanto uma tensão 
cisalhante é aplicada. 
 
Propriedades de substâncias puras 
Processo de mudança de fase 
 Energia térmica é adicionada ao sistema na forma de calor. 
Fonte: autoria própria. 
Propriedades de substâncias puras 
Energia térmica 
Aumento da temperatura com início da mudança de fase: 
 
 
 
 Quando o calor é utilizado apenas para mudar a fase, 
mantendo-se a temperatura constante, observa-se um calor 
latente ou de fusão (sólido para líquido), ou de vaporização 
(líquido para vapor). 
 
Propriedades de substâncias puras 
 Exemplo da mudança de fase da água. 
 
Fonte: Young (2008, p. 194). Adaptado. 
Título 
 Mistura saturada: quanto de líquido ou vapor está presente? 
 Título: propriedade que correlaciona a quantidade de vapor 
presente na mistura. 
 
 
 
 Título: pode variar de 0 (líquido saturado) a 1 (vapor saturado). 
 
 Título: também pode ser relacionado com o volume de cada 
fração (líquido ou vapor) presente na mistura. 
Título – Como determinar o volume específico? 
Tabelas termodinâmicas 
 
 Tabela de água saturada em função da temperatura. 
 
 
Fonte: Borgnakke e Sonntag (2009, p. 576, 577). 
Diagramas de fases 
 Diagramas de fases: representação gráfica das fases. 
 Diagrama pressão-temperatura: cada ponto da curva 
apresenta apenas uma informação de pressão e temperatura. 
 Ponto triplo: coexistência das três fases. 
 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, 
p. 50). Adaptado. 
Diagramas de fases 
Diagramas 
 Pressão-temperatura. 
 Pressão-volume específico. 
 Temperatura-volume específico. 
 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 49). Adaptado. 
Energia interna 
 Define-se como a quantidade de energia térmica presente em 
uma substância. 
 Aumento de temperatura acarreta na movimentação das 
moléculas de uma substância. 
Energia interna específica: 
 
Fonte: Borgnakke 
e Sonntag (2009, 
p. 576, 577). 
Entalpia 
 Representa uma propriedade que sempre é aplicada quando 
uma máquina térmica transforma energia térmica em trabalho. 
 
Fonte: Borgnakke e Sonntag (2009, p. 576, 577). 
Interatividade 
Um bloco de gelo inicialmente a 0 ºC é aquecido a uma taxa 
constante. Um tempo t é necessário para transformar o bloco 
de gelo completamente em vapor de água a 100 ºC. O que temos 
após a metade do tempo (t/2)? 
 
a) Apenas gelo a 0 ºC. 
b) Uma mistura de gelo e água a 0 ºC. 
c) Água a uma temperatura entre 0 ºC e 100 ºC. 
d) Uma mistura de água e vapor a 100 ºC. 
e) Apenas vapor a 100 ºC. 
 
Resposta 
Um bloco de gelo inicialmente a 0 ºC é aquecido a uma taxa 
constante. Um tempo t é necessário para transformar o bloco 
de gelo completamente em vapor de água a 100 ºC. O que temos 
após a metade do tempo (t/2)? 
 
a) Apenas gelo a 0 ºC. 
b) Uma mistura de gelo e água a 0 ºC. 
c) Água a uma temperatura entre 0 ºC e 100 ºC. 
d) Uma mistura de água e vapor a 100 ºC. 
e) Apenas vapor a 100 ºC. 
Equação para o gás 
 Gás: pode ser tratado como real ou ideal, dependendo 
do modelo adotado. 
 Em termodinâmica, o gás é tratado como ideal. 
Lei do gás ideal: 
 
 
 Termodinâmica: pressão e temperatura são absolutas. 
 Constante do gás: definida como a razão da constante 
universal do gás (Ru = 8,314 kJ/mol K) pela massa molar 
do gás estudado. 
 
Equação para o gás – massa molar 
 Tabelas específicas apresentarão as massa molares 
de diferentes gases. 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, p 462) Adaptado. 
G ás F ó r m u l a q u í m i c a M a s s a m o l a r 
A r - 2 8 , 9 7 
A r g ô n i o A r 3 9 , 9 5 
B u t a n o C 4 H 1 0 5 8 , 1 2 
D i ó x i d o d e C a r b o n o C O 2 4 4 , 0 1 
M o n ó x i d o d e C a r b o n o C O 2 8 , 0 1 
E t a n o C 2 H 6 3 0 , 0 7 
E t i l e n o C 2 H 4 2 8 , 0 5 
H é l i o H e 4 , 0 0 
H i d r o g ê n i o H 2 2 , 0 2 
Equação para o gás 
Lei do gás ideal 
 Formas alternativas. 
Equação para o gás 
 Modelo do gás ideal – pode ser utilizado para o gás real 
através de um fator de compressibilidade (Z). 
 
 
Fator de compressibilidade – pode ser obtido através de gráfico 
com o auxílio das seguintes variáveis: 
 Pressão reduzida (pR) 
 Temperatura reduzida (TR) 
 Volume específico reduzido (𝛝R) 
Gás ideal como real – fator de compressibilidade 
 
 
 
Fonte: Çengel (2013 , p. 138). 
Gás ideal como real 
 Fator de compressibilidade – necessita das constantes no 
ponto crítico. 
 
Fonte: Çengel (2013 , p 908). 
Gás real – equação de Van der Waals 
 Equação de Van der Waals 
 
Fonte: Kross e Potter 
(2015, p 462) 
Adaptado. 
Gás real – Beattie-Bridgeman 
 Equação de Beattie-Bridgeman – mais precisa que o modelo 
de Van der Waals. 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, p 62) Adaptado. 
Propriedades para o gás 
 Termodinâmica – duas propriedades independentes definem 
o estado de qualquer sistema. 
 Temperatura, volume específico, pressão… 
 
 Energia interna: pode ser analisada com o auxílio 
da temperatura e volume específico, u(T, 𝛝) 
 
 Gás se comportar como um gás ideal, a energia interna será 
definida por 
du = c𝛝 dT 
∆u = u2 – u1 = c𝛝 (T2 – T1) 
 
Propriedades para o gás 
 Entalpia: pode ser analisada com o auxílio da temperatura 
e pressão, h(T,p) 
 
 Gás se comporta como um gás ideal, a entalpia é uma função 
da temperatura, sendo definida por 
 
dh = cp dT 
∆h = h2 – h1 = cp (T2 – T1) 
 
Propriedades para o gás 
Quando o estado não pode ser definido com o auxílio da energia 
interna e da entalpia? 
 Uma relação entre calores específicos e a constante do gás 
poderá ser utilizada. 
cp = c𝛝 + R 
Fonte: Borgnakke e Sonntag (2009, p 561) Adaptado. 
Interatividade 
Você comprime um gás ideal até metade de seu volume inicial, 
também reduzindo à metade a sua temperatura absoluta. 
Durante este processo, a pressão do gás 
 
a) é reduzida à metade. 
b) permanece constante. 
c) é duas vezes maior. 
d) é três vezes maior. 
e) é quatro vezes maior. 
Resposta 
Você comprime um gás ideal até metade de seu volume inicial, 
também reduzindo à metade a sua temperatura absoluta. 
Durante este processo, a pressão do gás 
 
a) é reduzida à metade. 
b) permanece constante. 
c) é duas vezes maior. 
d) é três vezes maior. 
e) é quatro vezes maior. 
Primeira lei da termodinâmica 
 Termodinâmica – estuda a energia, bem como suas 
transformações e transferências. 
 
Como o trabalho e o calor se transferem? 
 
 
 
 
 
 
 Processo termodinâmico – um tipo de energia se transformará 
em outro. 
Fonte: Young (2008, p. 253). Adaptado. 
Primeira lei – transferência de calor 
 Calor = movimento de energia. 
 Naturalmente, sempre ocorre do sistema de maior energia 
para o sistema de menor energia. 
 Temperatura – avalia o nível de agitação molecular; quanto 
maior a agitação molecular, maior será a temperatura. 
 Transferência de calor – ocorrerá enquanto houver uma 
diferença de temperatura. 
Fonte: Young (2008, p. 199). Adaptado. 
Transferência de calor – condução 
Condução – processo de transferência de calor atribuído 
aos sólidos. 
 Processo ocorre no interior do objeto, com o calor se 
transferindo de molécula a molécula. 
 Condução – pode ser obtida pela taxa de transferência 
de calor ou pelo fluxo de calor. 
Fonte: Young (2008, p. 199). Adaptado. 
Transferência de calor – convecção 
Convecção – processo de transferência de calor atribuído 
aos fluidos. 
 
 Processo ocorre pelo movimento de massa de fluido, 
da região de maior temperatura para a região de 
menor temperatura. 
 
 
Transferência de calor – radiação 
 Radiação – qualquer energia emitida pela matéria na forma 
de onda eletromagnética. 
 Processo pode ocorrer inclusive no vácuo. 
 
 
 
 
 
 Emissividade – valor entre 0 e 1 
 
 Constante de Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10-8 W/m2K4 
 
 
Trabalho 
Trabalho – forma alternativa para estudar a transferência 
de energia de ou para um sistema termodinâmico. 
 
 Trabalho: é positivo quando for realizado pelo sistema 
na vizinhança. 
 Trabalho: é negativo quando for realizado pela vizinhança 
no sistema. 
 Primeiro contato com o trabalho o define como o produto da 
força pela distância: W = F d 
 Trabalho depende da trajetória – W1-2 indica o trabalho 
realizado do processo 1 para o processo 2. 
Trabalho 
 Pressão constante: o trabalho específico pode ser definido como: 
w1-2 = p (𝛝2 - 𝛝1) 
 Área abaixo de uma curva = Trabalho. 
Fonte: Young (2008, p. 254). Adaptado. 
Trabalho 
 Trabalho do sistema: depende dos estados iniciais e finais. 
 
 Trabalho de uma mola. 
 
 
 
 
 Trabalho de um eixo rotativo. 
 
 
Primeira lei da termodinâmica 
 Estuda a energia e sua transferência em processos 
e ciclos termodinâmicos. 
∆E = Q – W 
 
 Energia: cinética, potencial e interna. 
∆E = ∆U + ∆EC + ∆EP 
 
 Sistemas estacionários – única energia que varia é a interna. 
∆U = Q – W 
 
 
 
Primeira lei da termodinâmica – casos especiais 
 Ciclo – processo termodinâmico, passa por várias etapas 
e retorna ao estado inicial. 
∆Uciclo = Qciclo – Wciclo 
Qciclo = Wciclo 
 
 Sistema cíclico: trabalho realizado transferirá toda a energia 
na forma de calor. 
 
 Sistema isolado – a energia interna permanecerá constante. 
∆U = 0 
 
 
 
 
Interatividade 
Assinale a alternativa falsa. 
 
a) Quando um sistema pode ir do estado 1 para o estado 2 
através de vários processos diferentes, a quantidade de 
trabalho realizado sobre o sistema será a mesma para todos 
os processos. 
 
b) Quando um sistema pode ir do estado 1 para o estado 2 
através de vários processos diferentes, a variação da energia 
interna do sistema será a mesma para todos os processos. 
 
c) A energia interna de uma dada quantidade de gás 
ideal depende apenas de sua temperatura absoluta. 
 
Interatividade 
d) Um processo quase-estático é aquele no qual o sistema 
nunca está longe do equilíbrio. 
 
e) Para qualquer substância que se expande quando aquecida, 
Cp é maior que Cv. 
Resposta 
Assinale a alternativa falsa. 
 
a) Quando um sistema pode ir do estado 1 para o estado 2 
através de vários processos diferentes, a quantidade de 
trabalho realizado sobre o sistema será a mesma para todos 
os processos. 
ATÉ A PRÓXIMA! 
	Slide Number 1
	Termodinâmica
	Dimensões e unidades
	Propriedades termodinâmicas
	Massa específica e volume específico
	Pressão
	Escalas de temperatura
	Escalas de temperatura
	Energia
	Interatividade
	Resposta
	Propriedades de substâncias puras
	Propriedades de substâncias puras
	Propriedades de substâncias puras
	Propriedades de substâncias puras
	Título 
	Título – Como determinar o volume específico?
	Diagramas de fases
	Diagramas de fases
	Energia interna
	Entalpia
	Interatividade
	Resposta
	Equação para o gás
	Equação para o gás – massa molar
	Equação para o gás
	Equação para o gás
	Gás ideal como real – fator de compressibilidade
	Gás ideal como real
	Gás real – equação de Van der Waals
	Gás real – Beattie-Bridgeman
	Propriedades para o gás
	Propriedades para o gás
	Propriedades para o gás
	Interatividade
	Resposta
	Primeira lei da termodinâmica
	Primeira lei – transferência de calor
	Transferência de calor – condução
	Transferência de calor – convecção
	Transferência de calor – radiação
	Trabalho
	Trabalho
	Trabalho
	Primeira lei da termodinâmica
	Primeira lei da termodinâmica – casos especiais
	Interatividade
	Interatividade
	Resposta
	Slide Number 50