Cap 01 - Introdução

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Aula 01 – Introdução
Prof. Msc. Alexandre Morawski
E-mail: morawski.em@gmail.com
Termodinâmica e Transferência de Calor
Conteúdo Programático
1. INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA: Conceitos e definições; Apresentação das formulações de sistema e volume de controle; Unidades.
2. ENERGIA E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA: Revisão dos conceitos de energia mecânica; Trabalho e Calor; Processos termodinâmicos; Balanço de energia para sistema fechado.
3. PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS: Diagrama de fases para substância pura; Tabelas termodinâmicas; Modelo de gás ideal; Gráfico de compressibilidade generalizada; Energia interna, entalpia, calor específico; Processos politrópicos.
4. ANÁLISE DE VOLUME DE CONTROLE: Conservação de massa; Conservação de energia para um volume de controle; Análise em regime permanente.
Conteúdo Programático
5. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Conceitos e definições; Ciclo de Carnot; Rendimento e máquinas térmicas; Coeficiente de desempenho de máquinas térmicas inversas.
6. INTRODUÇÃO AOS MODOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR: Princípios da condução de calor, suas equações e aplicações; Princípios da convecção de calor, equação e aplicações; Princípios da radiação térmica; Noções de conforto térmico.
Critério de Avaliação
A média parcial (MP) é composta de 03 provas (P1, P2 e P3) da seguinte forma:
			MP = (P1+P2+P3)/3
	
	Caso MP >= 7,0 => aluno aprovado na disciplina sem prova final
	Caso MP < 7,0 => aluno de prova final (PF).
Computo da média final: MF = (MP+PF)/2
	Caso MF >= 5,0 => aluno aprovado na disciplina
	Caso MF < 5,0 => aluno reprovado na disciplina por nota.
É obrigatório a presença do aluno em pelo menos 75% das aulas dadas.
Bibliografia Utilizada
MORAN, MICHAEL J. & SHAPIRO, HOWARD, Princípios de Termodinâmica para Engenharia, LTC Editora, 6 ed. 2009
VAN WYLEN, GORDON, SONNTAG, RICHARD & BORGNAKKE, Fundamentos da Termodinâmica, Edgard Blucher, 7 ed. 2009.
ÇENGEL, YUNUS A., Termodinâmica, MCGRAW HILL ARTMED, 2006.
INCROPERA, FRANK P.; WITT, DAVID P. DE, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC Editora, 6 ed. 2008.
1. Termodinâmica
É um ramo da física que pode ser definido como ciência da energia.
O nome termodinâmica tem origem das palavras gregas:
Thérme --> Calor
Dýnamis --> Força
Embora os princípios da termodinâmica existirem desde o surgimento do universo, ela só surgiu como ciência com a construção dos primeiros motores a vapor.
1.1 Aplicações da Termodinâmica
1.2 Definindo Sistemas
Uma etapa primordial em qualquer análise de engenharia é descrever o que está sendo estudado.
Por exemplo, definição de corpo livre em mecânica. 
1.2 Definindo Sistemas
Sistema é tudo aquilo que queremos estudar. O sistema pode ser tão simples como um corpo livre.
Ou tão complexo como uma 
 usina termelétrica inteira.
1.2 Definindo Sistemas
A massa ou região externa ao sistema é denominada vizinhança.
O sistema é distinguido de sua vizinhança através de uma superfície real ou imaginária denominada fronteira.
Em termos matemáticos, a fronteira tem espessura nula e portanto, não pode conter massa nem ocupar volume no espaço.
1.2 Definindo Sistemas
Sistema: Tudo que se queira estudar.
Entorno: Tudo externo ao sistema. 
Fronteira: Distingue o sistema do seu entorno.
Sistema
Entorno ou Vizinhança
Fronteira
1.3 Sistemas Fechados
Um sistema fechado é definido quanto determinada quantidade de matéria encontra-se em estudo.
Ou seja, um sistema fechado contém sempre a mesma quantidade de matéria.
Pode também ser denominado massa de controle.
1.3 Sistemas Fechados
Transferência de massa através de suas fronteiras não pode ocorrer.
Entretanto, energia na forma de calor ou trabalho podem cruzar a fronteira de um sistema fechado.
No caso especial de nem a energia atravessar a fronteira, o sistema é denominado sistema isolado.
1.3 Sistemas Fechados
Exemplo: Aquecimento de um gás contido em um conjunto cilindro-pistão.
1.4 Volume de Controle
Volume de controle ou sistema aberto é uma região criteriosamente selecionado no espaço onde há um fluxo de massa.
Tanto massa quanto energia podem cruzar a fronteira de um volume de controle.
1.4 Volume de Controle
Em geral, qualquer região arbitrária pode ser selecionada, mas a escolha adequada facilita a análise.
As fronteiras de um VC são denominadas superfícies de controle e podem ser reais, imaginárias, fixas ou móveis.
1.4 Visões Macroscópica e Microscópica
Sistemas podem ser descritos a partir dos pontos de vista macroscópico e microscópico. 
A abordagem microscópica conhecida como termodinâmica estatística, se preocupa com a estrutura da matéria.
O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e utilizar essa informação para descrever o comportamento global do sistema.
1.5 Propriedades
Propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a qual um valor numérico pode ser atribuído a um dado instante sem conhecer o comportamento prévio do sistema. 
Para o sistema mostrado, exemplos incluem:
Massa
Volume
Energia
Pressão
Temperatura
Gás
1.5 Propriedades
As propriedades podem ser classificadas como intensivas ou extensivas.
Uma propriedade é chamada de extensiva se seu valor para o sistema global é dado pela soma dos valores das partes em que este sistema é dividido.
As propriedades extensivas dependem do tamanho e extensão do sistema. Podem variar com o tempo, mas não com a posição.
Exemplos: Massa, volume, energia.
1.5 Propriedades
Propriedades intensivas não são aditivas. Seus valores independem do tamanho e dimensão do sistema.
Podem variar de local para local dentro do sistema em qualquer momento.
Portanto propriedades intensivas podem ser função da posição e do tempo, enquanto que propriedades extensivas podem ser função apenas do tempo.
Exemplo: Temperatura, pressão, volume específico.
1.5 Propriedades
Exemplo:
1.6 Estado
Estado é a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades.
Estas propriedades geralmente possuem relações entre si, logo o estado é determinado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos deste subconjunto.
Exemplo: O estado mostrado é descrito por p, v e T.
Gás
1.7 Processo
Quando qualquer uma das propriedades de um sistema se altera, ocorre uma mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo.
Portanto, um processo é uma transformação de um estado para outro. A série de estados que pelos quais um sistema passa durante um processo é denominado percurso do processo.
1.7 Processo
Diversos equipamentos de engenharia operam por longos períodos de tempo sob as mesmas condições.
Os processos que envolvem tais equipamentos podem ser razoavelmente bem representados por um processo idealizado denominado regime permanente.
Em um processo em regime permanente as propriedades podem variar de local para local dentro do sistema, mas em qualquer ponto elas permanecem fixas com o tempo.
1.7 Processo
Alguns processos triviais:
	Isotérmico  Processo com temperatura constante.
	Isobárico  Processo com pressão constante.
	Isocórico  Processo com volume constante.
1.8 Equilíbrio
Quando um sistema está isolado, ele não interage com seu entorno.
Entretanto, seu estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos ocorrendo internamente, quando suas propriedades intensivas, como temperatura e pressão, tendem a valores uniformes. 
Quando todas as mudanças cessam, o sistema está num estado de equilíbrio.
Estados de equilíbrio e processos de um estado de equilíbrio para outro estado de equilíbrio têm papeis importantes na análise termodinâmica. 
1.9 Unidades
A unidade de medida de uma grandeza é um número que expressa uma quantidade, comparada com um padrão previamente estabelecido.
Por exemplo, metro, quilômetro, pé e milha são todas unidades de comprimento
Na engenharia são adotados dois sistemas de unidades:
Sistema Internacionalde Unidades (SI);
Unidades Inglesas de Engenharia.
1.9 Unidades
Nesses sistemas de unidades, massa, comprimento e tempo são unidades base e força tem unidade derivada das outras utilizando.
1.10 Massa e Volume Específicos
A partir da perspectiva macroscópica, a descrição da matéria é simplificada por considerá-la distribuída continuamente ao longo de uma região. 
Isto constitui a hipótese do contínuo. Quando as substâncias são tratadas como contínuas, é possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas “em um ponto.”
Em qualquer instante, a massa específica (ρ) em um ponto é definida como:
1.10 Massa e Volume Específicos
O volume V’ é o menor volume no qual existe valor definido para esta razão. 
V’ contém um número suficiente de partículas para que as médias estatísticas sejam representativas.
Normalmente é pequeno o suficiente para ser considerado um ponto. 
1.10 Massa e Volume Específicos
Massa específica é massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva que pode variar de ponto para ponto.
Assim a massa associada a um certo volume V é, em princípio, determinada por integração e não simplesmente por multiplicação. 
Unidades SI são (kg/m³). 
Unidades Inglesas são (lb/ft³).
1.10 Massa e Volume Específicos
Volume específico é o inverso da massa específica:
Volume específico é volume por unidade de massa. Assim como a massa, o volume específico é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto para ponto.
Unidades SI são (m³/kg) e Unidades Inglesas são (ft³/lb).
Volume específico é usualmente preferido para análise termodinâmica de gases, que tipicamente têm valores pequenos de massa específica.
1.11 Pressão
Considerar uma pequena área A que atravessa um ponto de um fluido em repouso.
O fluido, de um lado da área, exerce uma força compressiva que é normal à área, Fnormal. 
Uma força igual, mas no sentido oposto, é exercida na área pelo fluido do outro lado. A pressão (p) no ponto especificado é definido como o limite:
1.11 Pressão
O termo pressão, a não ser afirmado ao contrário, refere-se a pressão absoluta. Esta pressão que deve ser utilizada nas relações termodinâmicas.
No entanto, os medidores de pressão frequentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta atmosférica existente.
A magnitude desta diferença é denominada de pressão manométrica ou pressão de vácuo.
1.11 Pressão
1.11 Pressão
Exemplos:
1.11 Pressão
Unidade SI é o pascal (Pa):
			1 Pa = 1 N/m²
Múltiplos do pascal são frequentemente utilizadas:
1 kPa = 10³ N/m²
1 bar = 105 N/m² ou 100 kPa
1 MPa = 106 N/m²
Unidades Inglesas são: 
Libra força por pé quadrado, lbf/ft² 
Libra força por polegada quadrada, lbf/in²
1.12 Temperatura
Se dois blocos (um mais aquecido que o outro) são colocados em contato e isolados de seus entornos, eles iriam interagir termicamente com mudanças em suas propriedades observáveis.
Quando todas as mudanças nas propriedades observáveis cessam, os dois blocos estarão em equilíbrio térmico.
Temperatura é uma propriedade física 
 que determina se os dois objetos 
 estão em equilíbrio térmico.
1.12 Temperatura
Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si.
Esse enunciado é denominado lei zero da termodinâmica e é admitido em toda medição de temperatura.
Então para verificar se dois corpos apresentam a mesma temperatura, basta os colocar em contato com um terceiro corpo, usualmente chamado de termômetro.
1.12 Temperatura
Qualquer objeto com no mínimo uma propriedade mensurável que muda com a mudança de sua temperatura pode ser utilizado como um termômetro.
Tal propriedade é chamada propriedade termométrica.
A substância que exibe mudanças na propriedade termométrica é conhecida como substância termométrica.
1.12 Temperatura
Exemplo: Termômetro de vidro.
Consiste de um tubo capilar de vidro conectado a um bulbo enchido com líquido e selado na outra extremidade. O espaço acima do líquido é ocupado por vapor do mesmo líquido ou um gás inerte.
Com o aumento da temperatura, o líquido expande e sobe no capilar. O comprimento (L) do líquido no capilar depende da temperatura.
O líquido é a substância termométrica.
L é a propriedade termométrica.
1.12 Temperatura
Outros tipos de termômetros:
Termopares;
Termistores;
Termômetros de radiação.
1.13 Escalas de Temperatura
Escala Kelvin (K): Uma escala termodinâmica de temperatura absoluta cuja unidade de temperatura é o kelvin (K); uma unidade base SI para temperatura.
Escala Rankine (°R): Uma escala termodinâmica de temperatura absoluta com zero absoluto que coincide com o zero absoluto da escala Kelvin; uma unidade base Inglesa para temperatura.
T(oR) = 1.8T(K) 
1.13 Escalas de Temperatura
Escala Celsius (°C): Possui a mesma magnitude do Kelvin, no entanto o ponto zero é deslocado para 273,15 K.
Escala Fahrenheit: Possui a mesma magnitude do Rankine, no entanto o ponto zero é deslocado para 459,67 °R.
T(oC) = T(K) – 273,15 
T(oF) = T(oR) – 459.67 
1.13 Escalas de Temperatura
1.14 Metodologia para Resolução de 	Problemas de Termodinâmica
Conhecido: Ler o problema, pensar sobre ele e identificar o que é conhecido.
Achar: Declarar o que deve ser determinado.
Esquema e Dados: Desenhar um esboço do sistema com todas os dados relevantes.
Modelo de engenharia ou hipóteses: Listar todas as considerações de simplificação e idealizações lançadas.
Análise: Reduzir as equações governantes apropriadas e relações para formas que produzirão os resultados desejados.
1.14 Metodologia para Resolução de 	Problemas de Termodinâmica
Exemplo: Determine a força de atrito atuante no bloco em repouso no plano inclinado abaixo.
 
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