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Unidade II 
 
 
 
 
TERMODINÂMICA BÁSICA 
 
 
 
 
Prof. Ariathemis Bizuti 
Primeira Lei da Termodinâmica aplicada 
aos processos 
 Sistema: as propriedades termodinâmicas são definidas 
quando o equilíbrio térmico é atingido. 
 
 Processo de quase equilíbrio: as propriedades 
termodinâmicas podem variar. 
 
 Processo: é comum manter uma variável fixa e estudar 
o comportamento das demais. 
Processo isocórico ou isométrico 
 Volume do sistema permanece constante. 
 Volume constante = não há trabalho 
(W=0, pois as fronteiras não se movem). 
 Toda a energia será adicionada na forma de calor, 
aumentando-se a energia interna do sistema. 
 
Primeira lei da termodinâmica se reduz a: 
∆U = Q 
Sem tabelas termodinâmicas: 
Q = m cv (T2-T1) 
 Exercícios: recipiente rígido ou volume fixo. 
Processo adiabático 
 Adiabático = não existe transferência de calor para dentro 
ou para fora do sistema. 
 
 Processo adiabático: Q = 0. 
 
Primeira lei da termodinâmica se reduz a: 
∆U = - W 
 
Trabalho sempre será negativo? 
 Trabalho é positivo quando há uma expansão adiabática. 
 Trabalho é negativo quando há uma compressão adiabática. 
Processo adiabático – gás ideal 
 Gás ideal: a equação do gás ideal deve ser considerada. 
 
 Partindo da equação do gás ideal, considerando o calor 
específico e a razão dos calores específicos (k), o processo 
adiabático de um gás ideal se reduz a: 
 
T1 𝛝1(k-1) = T2 𝛝2(k-1) 
p1 𝛝1(k) = p2 𝛝2(k) 
 
 Razão dos calores específicos: valores em tabelas 
termodinâmicas ou k = cp/c𝛝. 
Processo adiabático – gás ideal 
 Trabalho do processo isobárico. 
 
 Depende exclusivamente da variação da energia interna. 
Processo isobárico 
 Processo definido a pressão constante. 
 Nenhuma variável da primeira lei da termodinâmica será nula. 
 
Primeira lei da termodinâmica: 
 
 
Utilizando-se o conceito da entalpia e da entalpia específica: 
 
 
Sem o auxílio de tabelas: 
Processo isotérmico 
Processo definido a temperatura constante. 
 Transferência de calor ocorre de forma lenta. 
 Equilíbrio térmico é atingido. 
 
Primeira lei da termodinâmica para o processo isotérmico 
despreza as variações das energias cinética e potencial: 
 
 
 
 Substância: aproximada de um gás ideal, não haverá variação 
da energia interna, ou seja, todo calor será transformado em 
trabalho (W = Q). 
Processo isotérmico 
Trabalho para o gás ideal: 
 
 
 
 
Mantendo-se a temperatura constante (isotérmico): 
 
 
 
 
 Trabalho considerado é o de quase equilíbrio. 
Processo politrópico 
Processo ocorre com a variação de pressão e volume de acordo 
com a relação: 
 
 
 
 Variáveis n e C são constantes. 
Relação entre temperatura e volume específico pode ser obtida 
pela equação: 
 
Processo politrópico 
Processo de quase equilíbrio: 
 
 
 
 
Aplicando a relação politrópica: 
 
 
 
Aplicando a lei do gás: 
 
Interatividade 
Quando um gás ideal sofre um processo isotérmico: 
 
a) nenhum trabalho é realizado pelo sistema. 
b) o sistema não absorve calor. 
c) o calor absorvido pelo sistema é igual à variação 
de sua energia interna. 
d) o calor absorvido pelo sistema é igual ao trabalho 
que ele realiza. 
e) não existe nenhuma transferência de calor. 
 
Resposta 
Quando um gás ideal sofre um processo isotérmico: 
 
a) nenhum trabalho é realizado pelo sistema. 
b) o sistema não absorve calor. 
c) o calor absorvido pelo sistema é igual à variação 
de sua energia interna. 
d) o calor absorvido pelo sistema é igual ao trabalho 
que ele realiza. 
e) não existe nenhuma transferência de calor. 
Primeira Lei da Termodinâmica aplicada 
ao volume de controle 
Volume de controle (VC) 
 Dispositivo com forma 
ou volume predefinidos. 
 Massa pode ser variável. 
 Fluxo de massa para 
dentro ou para fora. 
 
Superfície de controle 
 Superfície real ou 
imaginária que define 
os limites do volume 
de controle estudado. 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 116). Adaptado. 
Volume de controle e conservação da massa 
 VC – dispositivos apresentam uma entrada e uma saída. 
Conservação da massa: 
 
 
 
 
 Como existe um fluxo de fluido entrando e saindo, espera-se 
um regime transiente. 
 Regime permanente – propriedade físicas do fluido 
não se alteram com o tempo. 
Volume de controle e conservação da massa 
Mas como quantizar a quantidade de massa que entra ou sai? 
 Vazão mássica (ṁ) ou fluxo de massa: 
 
 
Fonte: Kross e Potter 
(2015, p. 119). Adaptado. 
Volume de controle e conservação da massa 
Regime transiente 
 
 Existe variação da quantidade de massa dentro do volume 
de controle: 
 
 
 
 Múltiplas entradas/saídas e considerando o regime permanente: 
Volume de controle e conservação da massa 
Escoamento incompressível (𝛒 = constante) 
 Vazão mássica se transforma em vazão volumétrica: 
 
 
 
Mas e quando a massa específica não for constante? 
 
 As alterações das massas específicas devem 
ser consideradas. 
 
 Propriedades termodinâmicas de interesse – 
volume específico. 
 
 
Primeira Lei da Termodinâmica – o que a diferencia quando 
é aplicada no sistema e no volume de controle. 
 
 Mede-se a energia em função do tempo. 
 Taxa de transferência de calor. 
 Taxa de trabalho. 
Volume de controle e conservação da massa 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 125). Adaptado. 
Volume de controle e conservação da massa 
Primeira Lei da Termodinâmica 
 
 
 
 
 
 Aplicando-se o conceito de vazão mássica e entalpia, 
a primeira lei representará a equação da energia para 
o regime permanente: 
Volume de controle e conservação da massa 
Primeira Lei da Termodinâmica 
 Dispositivos com fluido compressível. 
 Turbinas, compressores, trocadores de calor. 
 Energias cinética e potencial são desprezadas. 
 
 
 
 Bocal ou difusor – deve-se manter a energia cinética. 
Bombas ou hidroturbinas: 
Dispositivos que adicionam ou extraem energia 
Bombas 
 Dispositivos que adicionam energia ao fluido, resultando 
no aumento de pressão. 
 Gás – dispositivo é o compressor ou o ventilador. 
 
Turbinas 
 Dispositivos que extraem energia do fluido devido 
à realização do trabalho, o que resulta em queda de pressão. 
 
Dispositivo adiabático e com regime permanente: 
Dispositivos que adicionam ou extraem energia 
Potência = trabalho (energia) dividido pelo tempo. 
Convenção de sinais: 
 Turbina = potência positiva. 
 Bomba = potência negativa. 
 
Gás ideal como fluido de trabalho 
 Assume-se o processo adiabático de quase equilíbrio 
e calores específicos constantes. 
 
Dispositivos que adicionam ou extraem energia 
Líquidos incompressíveis 
 Dispositivo utilizado para o escoamento: bomba. 
 Transferência e possíveis perdas de calor, bem como 
a potência da bomba serão definidos por: 
 
 
 
Fluido incompressível interage com uma turbina 
 Mesmas considerações da bomba são aplicadas. 
 Trabalho de eixo para a turbina será sempre positivo. 
 
 
 
Dispositivos de expansão ou estrangulamento 
Dispositivo como válvulas ou placas de orifício 
 Acarretam grande perda de pressão. 
 Não trocam calor, executam trabalho e as variações 
de energias são desprezíveis. 
 Durante o processo desenvolvido no dispositivo, 
as entalpias são iguais. 
 
Dispositivos isentálpicos – apresentam a mesma entalpia. 
 
 
 Processo de estrangulamento: se a energia de escoamento 
aumentar, a energia interna deverá diminuir (resultando em 
queda de temperatura). 
Dispositivos de mistura de fluido 
 Dispositivo muito utilizado em ciclos termodinâmicos com 
uma câmara, com duas entradas e uma saída. 
 Dois fluxos de fluido se misturam sem realização de trabalho 
ou troca de calor. 
 Equação da energia para a câmara da mistura será: 
Fonte: Autoria própria. 
Interatividade 
Quais são os diferentes mecanismos de transferência 
de energia de ou para um volume de controle? 
 
a) Calor, temperatura e pressão. 
b) Calor, várias formas de trabalho emassa. 
c) Massa, volume específico e massa específica. 
d) Trabalho, potência e fluxo de massa. 
e) Calor, massa e volume específico. 
 
Resposta 
Quais são os diferentes mecanismos de transferência 
de energia de ou para um volume de controle? 
 
a) Calor, temperatura e pressão. 
b) Calor, várias formas de trabalho e massa. 
c) Massa, volume específico e massa específica. 
d) Trabalho, potência e fluxo de massa. 
e) Calor, massa e volume específico. 
Outros dispositivos e dispositivos combinados 
Dispositivos 
 Transferência de calor e variação da energia 
cinética desprezíveis. 
 
Existe algum dispositivo que considera tais variações 
 Trocadores de calor. 
 Dispositivos que aumentam a velocidade. 
 Dispositivos combinados. 
Trocador de calor 
 Dispositivo utilizado quando a energia térmica precisa ser trocada 
entre dois fluxos de fluido sem que ocorra uma mistura. 
 
 Trocador casco e tubo. 
 
 Fluidos escoam em tubos distintos sem que ocorra a mistura. 
 
 Escoamento paralelo – fluidos entram pelo mesmo lado 
e escoam na mesma direção. 
 
 Escoamento contracorrente – fluidos entram em lados opostos 
e escoam em direções contrárias. 
Trocador de calor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Primeira lei para qualquer dos fluidos: 
 
Fonte: Autoria própria. 
Dispositivos que aumentam a velocidade 
 Bocal – dispositivo indicado para aumentar a velocidade. 
 Difusor – dispositivo indicado para diminuir a velocidade. 
 Não há trabalho nem transferência de calor para os dispositivos. 
 
 
 
 
 
 Aumento ou diminuição da velocidade ocorre devido ao 
aumento ou diminuição da área. 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 139). Adaptado. 
Dispositivos combinados – ciclo Rankine 
Ciclo Rankine 
 
 Quatro 
dispositivos ideais 
são utilizados. 
 
 Objetivo: 
produção de 
energia. 
 
 Aplicação: 
usinas térmicas. 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 145). Adaptado. 
Dispositivos combinados – ciclo Rankine 
 Bomba: comprime 
a água saturada a 
elevadas pressões. 
 Caldeira: adiciona 
energia térmica – 
vapor superaquecido. 
 Turbina: produz 
energia com o vapor 
a alta pressão. 
 Condensador: 
recupera o vapor ao 
estado inicial de água 
líquida saturada. 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 145). Adaptado. 
Dispositivos combinados – ciclo Rankine 
Rendimento ou eficiência do processo 
 Faz-se necessário sempre que uma máquina é utilizada. 
A eficiência do ciclo Rankine será: 
 
 
 
 
 
 
 
 A eficiência do ciclo Rankine aproxima-se de 30%, ou seja, 
apenas 30% da energia térmica é convertida em energia útil. 
Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração 
Fluxo de calor 
 Naturalmente – fluxo do quente para o frio. 
 Combinando dispositivos – cria-se um ciclo de refrigeração 
com o intuito de obter baixas temperaturas. 
 Exemplo de aplicação: geladeiras – interior é frio e as paredes 
externas são quentes. 
 
Ciclo de refrigeração ou bomba de calor? 
 Refrigerador – objetivo é resfriar um espaço predefinido. 
 Bomba de calor – objetivo é aquecer um espaço predefinido. 
 Compressor: altera 
o estado do fluido 
de trabalho de vapor 
saturado para 
superaquecido. 
 Condensador: 
transforma o 
refrigerante 
superaquecido em 
líquido saturado. 
 Dispositivo de 
expansão: reduz a 
pressão do refrigerante 
superaquecido. 
 Evaporador: trocador 
de calor onde o 
refrigerante sai como 
vapor saturado. Fonte: Kross e Potter (2015, p. 147). Adaptado. 
Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração 
Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração 
Dispositivo operando como bomba de calor 
 Calor que sai do ciclo deve aquecer um espaço predeterminado. 
 
Coeficiente de performance será: 
 
 
 
 
 
Relação entre os coeficientes de performance da bomba 
de calor e do refrigerador: 
Dispositivos combinados – ciclo Brayton 
 Utilizado em sistemas que operam com turbinas a gás. 
 Adição da energia térmica ocorre a pressão constante. 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 149). Adaptado. 
Dispositivos combinados – ciclo Brayton 
 Compressor: comprime o ar para uma pressão de saída. 
 Motor a jato: 30 vezes a pressão de entrada. 
 Câmara de combustão: opera a pressão constante 
e fornece calor. 
 Turbina: utiliza ar a alta pressão e temperatura com o intuito 
de gerar energia. 
 Assume-se um processo adiabático de quase equilíbrio. 
 Trocador de calor: função de resfriar o ar que sai da turbina. 
Eficiência: 
Interatividade 
Considere um trocador de calor com escoamento em regime 
permanente que envolve duas correntes de fluido diferentes. 
Em quais condições a quantidade de calor perdida será igual 
à quantidade de calor recebida pelo outro fluido? 
 
a) Quando não houver interações de calor e trabalho 
do trocador de calor com a vizinhança. 
b) Quando houver interações de calor e trabalho do trocador 
de calor com a vizinhança. 
c) Quando o fluido de trabalho no trocador de calor 
for adiabático. 
d) Quando o escoamento ocorrer em contracorrente. 
e) Quando o escoamento for isotérmico. 
 
Resposta 
Considere um trocador de calor com escoamento em regime 
permanente que envolve duas correntes de fluido diferentes. 
Em quais condições a quantidade de calor perdida será igual 
à quantidade de calor recebida pelo outro fluido? 
 
a) Quando não houver interações de calor e trabalho 
do trocador de calor com a vizinhança. 
b) Quando houver interações de calor e trabalho do trocador 
de calor com a vizinhança. 
c) Quando o fluido de trabalho no trocador de calor 
for adiabático. 
d) Quando o escoamento ocorrer em contracorrente. 
e) Quando o escoamento for isotérmico. 
Segunda Lei da Termodinâmica 
Primeira lei – enuncia o princípio da conservação da energia. 
 
 Apenas isto basta para garantir a realização do processo? 
 Qual é a limitação da primeira lei? 
 Considere o exemplo: um copo de café quente transfere 
o seu calor para o ambiente. 
 É possível que o café frio esquente de novo sem o auxílio 
de uma máquina térmica? 
 Sem violar os princípios da física, é possível um objeto 
frio transferir calor para um objeto quente? 
 Pela primeira lei, sim, afinal a quantidade de energia 
é determinada. 
Segunda Lei da Termodinâmica 
Segunda lei – avalia a quantidade de energia envolvida 
no processo, a sua qualidade e direção. 
 
 Reservatório – fonte de energia para um dispositivo. 
 Sistema grande para fornecer ou absorver calor sem alterar 
a sua temperatura. 
 Fonte de calor – fonte de energia térmica. 
 Dissipador de calor – local no qual a energia térmica 
se deposita. 
 
Processo – ocorre entre uma fonte e o dissipador. 
 Processo reversível – retorna às suas condições iniciais. 
Segunda Lei da Termodinâmica 
Processo irreversível 
 
 Reservatório – se for utilizado, o processo é irreversível, pois 
sempre existe a necessidade de suprir uma perda de energia. 
 
Processos termodinâmicos – irreversibilidades importantes 
 Atrito: energia dissipada na forma de calor. 
 Mistura: quando duas substâncias se unem, torna-se difícil 
retornar à condição inicial. 
 Expansão: sem restrição há irreversibilidade. 
 Transferência de calor: diferença finita de temperatura, 
há irreversibilidade. 
Segunda Lei da Termodinâmica 
Conclusão direta da Segunda Lei da Termodinâmica 
 Nenhuma máquina térmica apresentará 100% de eficiência, ou 
seja, todo processo real é irreversível, afinal, existem perdas. 
 
Dois enunciados são importantes para a Segunda Lei 
da Termodinâmica: 
 
 Kelvin–Planck = máquinas térmicas. 
 Clausius = ciclo de refrigeração. 
Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-Planck 
 “É impossível construir 
um dispositivo que opere 
em ciclo cujo único efeito 
é levar energia de uma 
fonte de calor e 
convertê-la para 
trabalho.” 
 
Máquina térmica 
 Qualquer dispositivo que 
receba calor de um 
reservatório para realizar 
trabalho durante o ciclo. 
Fonte: Young (2008, p. 280). Adaptado. 
Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-PlanckMáquina térmica 
 Deve rejeitar calor para o ambiente. 
 
 Reservatório térmico – mantém a temperatura constante. 
 
 Calor quente é transferido do reservatório quente, produzindo 
trabalho e rejeitando calor frio para o dissipador de calor. 
 
 Devido às irreversibilidades, uma quantidade de calor frio 
é transferida para o dissipador e a primeira lei se torna: 
Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-Planck 
 Máquinas térmicas – utilizadas quando calor deve ser 
convertido em trabalho. 
 Naturalmente é possível converter trabalho em calor. 
 Recebe calor de uma fonte quente, converte frações do calor 
em trabalho e rejeita o não convertido para um reservatório 
frio que opere em ciclo. 
 
Eficiência do ciclo: 
 
Refrigeradores – enunciado de Clausius 
“É impossível construir um 
dispositivo que opere em 
ciclo cujo único efeito 
é a transferência de calor 
de um reservatório 
de baixa temperatura 
para um reservatório 
de alta temperatura.” 
 
 Ciclo de refrigeração: 
calor flui da fonte 
fria para a fonte quente. 
Fonte: Young (2008, p. 284). Adaptado. 
Refrigeradores – enunciado de Clausius 
Refrigerador 
 Calor frio é removido de um reservatório frio e rejeitado para 
um reservatório quente. 
 Sem adição de trabalho não é possível fazer o calor fluir 
do reservatório frio para o quente. 
 
Aplicando a primeira lei: 
 
Coeficiente de performance: 
 
Refrigeradores – enunciado de Clausius 
Refrigerador 
 Coeficiente de performance: 
 
 
 
 
 
Bomba de calor 
 Coeficiente de performance: 
 
Ciclo de Carnot 
Máquina térmica que opera em processo de quase equilíbrio, 
ou seja, na condição ideal. 
 Melhor maneira de se obter a eficiência máxima. 
 Condição ideal – qualquer irreversibilidade será desprezada. 
 
Máquina de Carnot 
 Dois processos adiabáticos. 
 Dois processos isotérmicos. 
 Opera em ciclos ideais sem atrito. 
 Máquina de máxima eficiência. 
Ciclo de Carnot 
 Processo 1-2: compressão 
adiabática reversível (↑T). 
 
 Processo 2-3: expansão 
isotérmica reversível 
(Q=constante). 
 
 Processo 3-4: expansão 
adiabática reversível (↓T). 
 
 Processo 2-3: compressão 
isotérmica reversível 
(Q=constante). 
 
 
Fonte: Kross e Potter (2015, p. 175). Adaptado. 
Ciclo de Carnot 
 Eficiência do ciclo de Carnot: 
 
 
 
 Coeficiente de performance – refrigerador de Carnot: 
 
 
 
 Coeficiente de performance – bomba de calor de Carnot: 
 
 
Interatividade 
Um inventor em busca de apoio financeiro apresenta a você a 
ideia de um motor a gasolina que funciona em um novo tipo de 
ciclo termodinâmico (TQ = 1356 K, TF = 300 K). Seu projeto é 
totalmente feito de cobre e resfriado a ar. Ele alega que o motor 
terá uma eficiência de 85%. Será prudente investir nesse 
maravilhoso novo motor? 
 
a) Não, pois não é possível definir a eficiência. 
b) Sim, mas não é possível definir a eficiência. 
c) Sim, pois a eficiência é maior que a máxima. 
d) Não, pois a eficiência é maior que a máxima. 
e) Sim, pois a eficiência é igual à máxima. 
Resposta 
Um inventor em busca de apoio financeiro apresenta a você a 
ideia de um motor a gasolina que funciona em um novo tipo de 
ciclo termodinâmico (TQ = 1356 K, TF = 300 K). Seu projeto é 
totalmente feito de cobre e resfriado a ar. Ele alega que o motor 
terá uma eficiência de 85%. Será prudente investir nesse 
maravilhoso novo motor? 
 
d) Não, pois a eficiência é maior que a máxima. 
ATÉ A PRÓXIMA! 
	Slide Number 1
	Primeira Lei da Termodinâmica aplicada �aos processos
	Processo isocórico ou isométrico
	Processo adiabático
	Processo adiabático – gás ideal
	Processo adiabático – gás ideal
	Processo isobárico
	Processo isotérmico
	Processo isotérmico
	Processo politrópico
	Processo politrópico
	Interatividade
	Resposta
	Primeira Lei da Termodinâmica aplicada �ao volume de controle
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Volume de controle e conservação da massa
	Dispositivos que adicionam ou extraem energia
	Dispositivos que adicionam ou extraem energia
	Dispositivos que adicionam ou extraem energia
	Dispositivos de expansão ou estrangulamento
	Dispositivos de mistura de fluido
	Interatividade
	Resposta
	Outros dispositivos e dispositivos combinados
	Trocador de calor
	Trocador de calor
	Dispositivos que aumentam a velocidade
	Dispositivos combinados – ciclo Rankine
	Dispositivos combinados – ciclo Rankine
	Dispositivos combinados – ciclo Rankine
	Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração
	Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração
	Dispositivos combinados – ciclo de refrigeração
	Dispositivos combinados – ciclo Brayton
	Dispositivos combinados – ciclo Brayton
	Interatividade
	Resposta
	Segunda Lei da Termodinâmica
	Segunda Lei da Termodinâmica
	Segunda Lei da Termodinâmica
	Segunda Lei da Termodinâmica
	Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-Planck
	Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-Planck
	Máquinas térmicas – enunciado de Kelvin-Planck
	Refrigeradores – enunciado de Clausius
	Refrigeradores – enunciado de Clausius
	Refrigeradores – enunciado de Clausius
	Ciclo de Carnot
	Ciclo de Carnot
	Ciclo de Carnot
	Interatividade
	Resposta
	Slide Number 58