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30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 1/71 Sistemas termodinâmicos Prof. Fábio Bicalho Cano Descrição Apresentação de conceitos e definições da termodinâmica essenciais para a identificação e a descrição do comportamento de sistemas com base nas propriedades e nos processos. Propósito Uma base teórica sólida permite ao engenheiro projetar e analisar vários sistemas de interesse, como sistemas de refrigeração voltados para a refrigeração doméstica, comercial e industrial, sistemas de potência destinados ao transporte terrestre, marítimo e aéreo e à produção de energia elétrica ou processos industriais designados para a obtenção de produtos químicos, alimentos e medicamentos. Objetivos 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 2/71 Módulo 1 Estado e propriedade de uma substância Reconhecer as definições e os conceitos básicos da termodinâmica. Módulo 2 Equilíbrio de fase de uma substância pura Identificar o comportamento e as propriedades de substâncias puras primordiais para os cálculos termodinâmicos. Módulo 3 Lei zero da termodinâmica Analisar a lei zero da termodinâmica. A importância da termodinâmica aplicada à engenharia Introdução 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 3/71 1 - Estado e propriedade de uma substância Ao �nal deste módulo você será capaz de reconhecer as de�nições e os conceitos básicos da termodinâmica. Orientação sobre unidade de medida Em nosso material, unidades de medida e números são escritos juntos (ex.: 25km) por questões de tecnologia e didáticas. No entanto, o Inmetro estabelece que deve existir um espaço entre o número e a unidade (ex.: 25 km). Logo, os relatórios técnicos e demais materiais escritos por você devem seguir o padrão internacional de separação dos números e das unidades. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 4/71 Vamos começar! Estado e propriedade de uma substância Veja agora os conceitos e definições relativos ao estado termodinâmico e às propriedades da matéria. Conceitos básicos de termodinâmica O que é a termodinâmica? Essencialmente, ela é a ciência que estuda a energia, as suas transformações e as eficiências energéticas dessas transformações. Como ciência, a termodinâmica estrutura-se em leis de caráter geral que expressam todos os fatos experimentais evidenciados até os dias de hoje. Dentro do vocabulário da termodinâmica, algumas definições e conceitos devem ser apresentados com clareza para que interpretações equivocadas não ocorram em análises futuras. Dessa maneira, temos as seguintes definições: Sistema 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 5/71 Porção de matéria definida e identificada que representa uma parte do todo (conhecido como universo). Ao iniciarmos um estudo termodinâmico, devemos definir o sistema, que geralmente é identificado por meio de uma superfície fechada pontilhada. Vizinhança "Também pode ser identificado por vizinhanças ou ainda, ambiente". É o complemento do sistema, ou seja, aquilo que está além dele e que acaba por completar o universo. Fronteira Interface entre o sistema e sua vizinhança. A imagem ao lado apresenta um sistema onde é possível identificar sua vizinhança e os tipos de fronteira: A fronteira é qualquer superfície fechada, real ou imaginária, fixa ou variável, que estabelece os limites físicos do sistema. Imagem 1.1 - Sistema, fronteira e vizinhança. Como exemplo dos tipos de fronteira, observe as imagens 1.2, 1.3 e 1.4. A imagem 1.2 apresenta uma fronteira real e variável, como pode ser observado em um conjunto cilindro-pistão automotivo: 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 6/71 Imagem 1.2 – Gás confinado em um conjunto cilindro-pistão: fronteira real e variável. Já a imagem 1.3 apresenta uma fronteira real e fixa, como as observadas em reservatórios de parede rígida: 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 7/71 Imagem 1.3 – Cilindros cheios de gás: fronteira real e fixa. Por fim, a imagem 1.4 tem um conjunto de possíveis sistemas com fronteiras imaginárias em uma planta de potência a vapor simples: Imagem 1.4 – Fronteiras imaginárias: A – Sistema de geração de vapor; B – Sistema de potência; C – Sistema de geração elétrica; D – Sistema de água de resfriamento. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 8/71 Estado termodinâmico O estado termodinâmico (ou simplesmente estado) é a condição física estabelecida pela organização das espécies químicas que compõem a matéria do sistema e que macroscopicamente é definida por propriedades mensuráveis. Esse estado representa uma situação de equilíbrio na qual os valores dessas propriedades definidoras não se alteram no tempo nem apresentam tendências à mudança. Tais propriedades são denominadas variáveis de estado, coordenadas termodinâmicas ou propriedades de estado. Observe a imagem a seguir e tente responder: Qual é a diferença entre os estados físico sólido, líquido e gasoso? Imagem 1.5 – Estados físicos ou de agregação da matéria. Confira a seguir a diferença entre esses estados: Estado sólido No estado sólido, os átomos, os íons ou as moléculas que compõem a matéria apresentam uma alta interação intermolecular e um pequeno distanciamento entre as espécies. Estado líquido 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 9/71 Por sua vez, o líquido é um estado intermediário entre os estados sólido e gasoso, portanto, há uma interação intermolecular e distanciamento medianos. Estado gasoso No outro extremo, o estado gasoso possui uma baixa interação intermolecular e um grande distanciamento entre as espécies. Podemos observar ainda que, no estado gasoso, as espécies que compõem a matéria apresentam um movimento caótico incessante e que, para o devido confinamento, o recipiente deve estar obrigatoriamente fechado. Propriedades intensivas e extensivas Você já parou para pensar como é medida uma propriedade? Para medi-la, podemos adotar duas abordagens: Introduzir um instrumento de medida da propriedade no sistema e quantificá-la diretamente. Retirar uma amostra representativa do sistema, medir a propriedade nessa amostra e inferir que a medida é igual à propriedade do sistema. Considerando a segunda abordagem, podemos imaginar que hajam propriedades que não dependem da quantidade de matéria, pois o valor da propriedade medida na amostra, com massa reduzida em relação ao sistema, tem valor igual à propriedade do sistema. Desse modo, as propriedades que não dependem da extensão ou da quantidade de matéria são denominadas propriedades intensivas. Já as que dependem da extensão, ou seja, da massa do sistema, 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 10/71 são denominadas propriedades extensivas. Atenção! Por convenção da literatura especializada, as propriedades intensivas são escritas com letras minúsculas e são geralmente tabeláveis, uma vez que essas propriedades não têm seus valores alterados pela variação da massa no momento de sua quantificação. Mas é possível transformar uma propriedade extensiva em uma intensiva? Sim, basta dividi-la por outra propriedade extensiva. Na prática termodinâmica, são consideradas para a divisão: a massa, que, na divisão, gera as propriedades denominadas propriedades específicas; e o número de mols, os quais, na divisão, gera as propriedades molares. Exemplo O volume é uma propriedade extensiva,pois seu valor é afetado pelo tamanho do sistema ou da amostra. Para transformarmos o volume em uma propriedade intensiva, devemos dividi-lo pela massa ou pelo número de mols . Dessa forma, temos: Pense antes de responder: de forma geral, quais são as propriedades comumente medidas em laboratório ou na prática industrial? (V) (m) (n) Resposta 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 11/71 Pressão Temperatura Massa Volume Dessa forma, são exemplos de propriedades de estado de interesse termodinâmico a pressão, a temperatura e o volume específico. Processo Processo é a etapa operacional ou a sucessão de etapas operacionais desenvolvida pelo sistema em decorrência de uma ação indutora de mudança de estado, em que pelo menos uma das propriedades, as quais, por sua vez, caracterizam o estado termodinâmico do sistema, é alterada. Um processo cujo sistema, após passar por etapas operacionais, tiver seu estado final igual ao estado inicial será denominado processo cíclico. Demonstração Na imagem a seguir, que representa um ciclo de potência a vapor de água, o que pode ser definido como sistema? Resposta 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 12/71 O sistema é uma porção de matéria definida e identificada que representa uma região de interesse. Você, como investigador, é quem vai definir o sistema conforme o seu interesse de estudo ou de análise. Tendo isso em conta, podemos assinalar na figura (com uma superfície fechada e pontilhada) vários sistemas: Sistema 1 – Caldeira; Sistema 2 – Turbina; Sistema 3 – Condensador; Sistema 4 – Bomba; Sistema 5 – O conjunto composto pela caldeira + turbina + condensador + bomba. Mão na massa Questão 1 Considere um sistema composto por uma caixa de isopor tampada cujo interior contém garrafas geladas de água. Esse sistema está exposto a um ambiente com forte irradiação solar, tal como uma praia. O que mantém as garrafas refrigeradas? A O sistema. B A vizinhança. C A fronteira. D O ambiente. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 13/71 Parabéns! A alternativa C está correta. A fronteira é a interface entre o sistema e a vizinhança. Como a caixa de isopor está tampada, suas paredes não permitem ou reduzem a troca de energia entre o sistema e suas vizinhanças, pois o isopor é um reconhecido isolante térmico. Por isso, a manutenção da temperatura das garrafas acima da temperatura ambiente é proporcionado pelo isopor, ou seja, pela fronteira. Questão 2 Assinale a alternativa que apresenta somente propriedades extensivas. Parabéns! A alternativa B está correta. As propriedades extensivas dependem da extensão, ou seja, da quantidade de matéria. São propriedades extensivas: massa , volume , área, comprimento, energia cinética e energia potencial . Rotacione a tela E A temperatura interna do sistema. A Massa, densidade, volume e energia cinética. B Energia potencial, energia cinética, volume e área. C Pressão, temperatura, volume específico e energia cinética específica. D Temperatura, volume, energia potencial e comprimento. E Energia potencial específica, pressão, densidade e volume específico. (m) (V) (E c) (E p) E c = 1 2 m →V2 E p = mgh 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 14/71 Rotacione a tela. São propriedades intensivas: pressão, temperatura, densidade , volume específico , energia cinética específica e energia potencial específica . Rotacione a tela. Questão 3 Considere como sistema termodinâmico um recipiente fechado que contém, em equilíbrio, um líquido e seu vapor conforme o da figura a seguir. Quais variáveis (ou propriedades, ou coordenadas termodinâmicas) definem o estado termodinâmico desse sistema? (ρ) (v) ( E cm ) ( E p m ) ρ = m V v = V m E c m = 1 2 →V2 E p m = gh 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 15/71 Parabéns! A alternativa E está correta. O estado termodinâmico é a condição física definida diretamente por propriedades macroscópicas mensuráveis do sistema. Com isso, nesse sistema, observam-se duas regiões: uma contém a matéria no estado líquido; outra, a matéria no estado gasoso. A propriedade intensiva associada a cada uma dessas regiões é o volume específico do líquido e o do vapor. Deve-se considerar ainda as variáveis intensivas intrínsecas de um equilíbrio: a pressão e a temperatura. Questão 4 Como podemos transformar uma propriedade extensiva em intensiva? A Somente a pressão. B Somente a temperatura. C Somente a temperatura e a pressão. D Temperatura, pressão e volume do sistema. E Pressão, temperatura, volume específico do vapor e volume específico do líquido. A Dividindo essa propriedade pelo número de mols. B Dividindo essa propriedade pela densidade. C Multiplicando essa propriedade pela massa. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 16/71 Parabéns! A alternativa A está correta. Para transformar uma propriedade extensiva em intensiva, basta dividi-la por outra propriedade extensiva. As propriedades extensivas escolhidas como divisoras são: a massa, que gera as propriedades específicas; e o número de mols, que gera as propriedades molares. O volume, às vezes, também pode ser utilizado nessa divisão, gerando as chamadas densidades generalizadas. Questão 5 Por definição, o número de mols é determinado por meio da razão entre a massa da substância e sua massa molar . Desse modo, temos: A massa molar é a massa de da substância expressa em gramas e determinada conforme os dados de massa da tabela periódica desde que se conheça a fórmula química da substância. Por isso, essa massa é a soma das massas de todos as espécies que compõem a fórmula da substância. Considere agora uma amostra composta por do fluido refrigerante R-134a; utilizado em ar- condicionado, sua fórmula molecular é . Qual o número de mols dessa amostra? D Dividindo essa propriedade por qualquer propriedade intensiva. E Multiplicando essa propriedade por qualquer propriedade extensiva. (n) (m) (M ) ∣ n = mM 1 mol 50 g C2H2 F4 (n) A 0,20mol B 0,49mol C 0,62mol 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 17/71 Parabéns! A alternativa B está correta. Assista ao vídeo a seguir para conferir a resolução da questão. Questão 6 A pressão é uma propriedade intensiva, pois, para qualquer porção do sistema, que se encontra em equilíbrio, o valor medido da pressão não se altera (Figura), tanto no conjunto cilindro-pistão antes da compressão (estado 1) quanto no conjunto cilindro-pistão após a compressão (estado 2). A pressão é uma grandeza escalar definida pela razão entre a força normal compressiva e a área na qual essa força normal atua. Dessa forma, temos: Considere agora que, na imagem, a força total aplicada no pistão para manter o sistema comprimido em equilíbrio (estado 2) seja de e que a área da seção reta do cilindro seja igual a . Qual é a pressão no sistema comprimido representado pelo estado 2? D 0,85mol E 0,98mol Estado 1 Estado 2 (p) (FN ) (A) p = FNA 2500 N 0, 02 m2 A 50kN/m2 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 18/71 Parabéns! A alternativa C está correta. Assista ao vídeo a seguir para conferir a resolução da questão. Teoria na prática Considere o esquema de um sistema de ar-condicionado automotivo conforme a representação adiante: B 100kN/m2 C 125kN/m2 D 200kN/m2 E 250kN/m2 _black 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 19/71 Nesse sistema dear-condicionado automotivo, identifique os possíveis subsistemas que poderiam ser o foco de uma análise termodinâmica. Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 (Adaptado de: UnB/Cespe – Petrobras - Engenheiro de Equipamento Júnior - Mecânica - 2001) A termodinâmica é a ciência que trata do calor, do trabalho e das propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho. É objetivo dessa ciência determinar relações gerais entre a energia interna e outras propriedades internas de um sistema com os parâmetros termodinâmicos (parâmetros macroscópicos que dependem do estado interno do sistema), associando-as às mudanças no estado do sistema e às suas interações com o ambiente. Com base em conceitos e definições da termodinâmica, marque a alternativa correta. Mostrar solução A Um sistema termodinâmico é uma quantidade de matéria de massa e de características definidas sobre a qual é dirigida a atenção, sendo ela separada da vizinhança (tudo 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 20/71 Parabéns! A alternativa A está correta. Trata-se do conceito de sistema. Questão 2 (Adaptado de: Fundação Cesgranrio – Petrobras – Químico(a) de petróleo júnior - 2008) Em relação às características termodinâmicas de um fluido em escoamento, é correto afirmar que aquilo externo ao sistema) por meio de fronteiras, as quais, por sua vez, podem ser fixas ou móveis. B Um processo que ocorre dentro de um sistema envolvido por uma fronteira fechada é chamado de processo cíclico. C Quando se muda do estado sólido para o gasoso, os valores de todas as propriedades de estado são mantidos constantes. D Define-se a capacidade calorífica como a razão entre a quantidade de energia fornecida para promover uma variação de temperatura e a variação de temperatura observada na amostra. Por essa definição, a capacidade calorífica é uma propriedade intensiva. E Muda-se de substância quando se passa do estado líquido para o gasoso. A a pressão é uma propriedade vetorial. B o estado termodinâmico é a condição de um sistema descrito por suas propriedades intensivas. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 21/71 Parabéns! A alternativa B está correta. Trata-se do conceito de estado termodinâmico. 2 - Equilíbrio de fase de uma substância pura Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car o comportamento e as propriedades de substâncias puras primordiais para os cálculos termodinâmicos. C o valor da temperatura depende da intensidade média do movimento molecular, sendo, portanto, uma variável de estado dependente da massa do sistema. D suas propriedades extensivas independem do tamanho do sistema. E as fronteiras de um sistema sempre apresentam volume fixo. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 22/71 Vamos começar! Equilíbrio de fase de uma substância pura Veja agora os diagramas , e e suas definições. Fase Uma substância pura é aquela que apresenta composição química invariante e homogênea. Mas o que constitui uma fase? A fase é uma porção de matéria que apresenta igualdade de composição em âmbito microscópico, o que permite estabelecer, em toda a sua extensão, propriedades físicas e químicas definidas e uniformes. O equilíbrio de fases é definido pela coexistência simultânea de uma mesma substância em duas ou mais fases. O que acontece quando uma substância no estado sólido é aquecida? p − v − T, p − T p − v T − v 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 23/71 Quando um sólido é aquecido, a sua temperatura aumenta em função da elevação da agitação molecular, conferindo a ele maior nível energético. Com o aumento da energia das espécies químicas que compõem o sólido, é possível atingir um nível energético tal que as espécies começam a romper a energia das interações intermoleculares e a induzir uma desorganização tridimensional em decorrência da redução das interações intermoleculares e do aumento do distanciamento entre espécies, o que descaracteriza a fase sólida e promove a formação de uma nova fase, a líquida. Se mais energia é fornecida, as espécies químicas na fase líquida passam a ter mais mobilidade, afastando- se e diminuindo ainda mais as interações intermoleculares, o que promove a formação da fase gasosa. Os efeitos do aumento da energia térmica de uma substância pura, que passa da fase líquida para a gasosa, podem ser resumidos na imagem a seguir: Imagem 2.1 – Energia térmica e a transição de fase líquido-gasoso. Para você, existe diferença entre ebulição e vaporização? A ebulição é a mudança de fase observada entre os estados líquido e gasoso, caracterizada pela formação de bolhas, tal como no aquecimento da água destinada ao preparo de um café. Já na vaporização ou evaporação, verifica-se a mesma mudança de fase sem, contudo, se observar a presença de bolhas. Quando a água de uma lagoa é exposta a uma irradiação solar intensa, parte dela passa para a fase vapor por evaporação, e não por ebulição. Principais mudanças de fase de uma substância pura: 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 24/71 Veja na imagem a seguir as principais mudanças de fase de uma substância: Imagem 2.2 – Principais mudanças de fase de uma substância. Fusão e solidi�cação. Sublimação e ressublimação. Vaporização e condensação. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 25/71 Diagrama de fase O diagrama de fase é um gráfico bi ou tridimensional que apresenta as mudanças de estado de uma substância pura à medida que as variáveis de estado pressão, temperatura e volume específico são alteradas. Representativo da maioria das substâncias, que naturalmente reduzem o volume no processo de solidificação, o chamado diagrama pressão-volume específicotemperatura (diagrama ) pode ser observado na figura a seguir, que apresenta o plano do líquido avançado em relação ao plano de sólido. Imagem 2.3 – Superfície p-v-T (a) para a maioria das substâncias que reduz o volume na solidificação e suas projeções. p − v − T 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 26/71 Imagem 2.3 – Superfície p-v-T (b) diagrama p-T. Imagem 2.3 – Superfície p-v-T (c) diagrama p-v. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 27/71 Na imagem 2.3, devemos observar os assinalamentos do ponto crítico nos diagramas (a), (b) e (c), o assinalamento do ponto triplo no diagrama (b) e as representações das linhas com temperatura constante (chamadas de isotermas). Existem três tipos de isoterma: Para algumas poucas substâncias, como água, silício, germânio, antimônio, estanho e bismuto, que aumentam seu volume na solidificação (desvio da regra geral), o diagrama pode ser observado na imagem abaixo que apresenta o plano do líquido recuado em relação ao plano de sólido. Isoterma T = Tc Isoterma crítica, pois passa pelo ponto crítico. Isoterma quando T < Tc Conhecida como isoterma de Andrews. Isoterma quando T > Tc Como vimos no diagrama (c). p − v − T 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 28/71 Imagem 2.4 – Superfície p-v-T (a) para as substâncias que expandem o volume na solidificação e suas projeções. Imagem 2.4 – Superfície p-v-T (b) diagrama p-T. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 29/71 Imagem 2.4 – Superfície p-v-T (c) diagrama p-v. Na imagem 2.4, é preciso observar a semelhança, em relação à imagem anterior, dosassinalamentos do ponto crítico nos diagramas (a), (b) e (c), o assinalamento do ponto triplo no diagrama (b) e as representações das linhas com temperatura constante: isoterma T = Tc (isoterma crítica), isoterma quando T < Tc (isoterma de Andrews) e a isoterma quando T> Tc, no diagrama (c). Os diagramas pressão-volume específico e temperatura-volume específico são muito utilizados na termodinâmica, pois permitem descrever as etapas de um processo, além de indicar as varáveis de estados-chave na análise termodinâmica do processo. Observe, na imagem 2.5, as linhas de temperatura constante (isotermas) e, na 2.6, as linhas de pressão constante (isóbaras): (p − v) (T − v) 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 30/71 Imagem 2.5 - Diagrama p-v para uma substância pura e a representação das isotermas de Andrews. Imagem 2.6 – Diagrama para uma substância pura e a representação das isóbaras. T − v 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 31/71 Diagrama de fase: ponto crítico, triplo e supercrítico Nas representações dos diagramas e , alguns termos foram apresentados. Vamos elucidá-los agora. Ponto crítico É uma impressão digital da substância, pois substâncias distintas não apresentam o mesmo ponto crítico. Fisicamente, ele representa o último ponto no qual é possível observar o equilíbrio líquido-vapor. Nesse ponto, os estados de líquido saturado e de vapor saturado são idênticos, pois o volume específico do líquido saturado é igual ao específico do vapor saturado. Devemos ter em mente ainda que, após o ponto crítico, não existem processos de vaporização ou de condensação identificáveis pela existência de uma interface líquido-vapor. Observe a identificação do ponto crítico nas imagens de 2.3 a 2.6. Ponto triplo Ponto em que é observada a existência simultânea de três fases em equilíbrio. A linha tripla representa a linha dos estados de equilíbrio das três fases na temperatura e na pressão do ponto triplo. Essa linha pode ser bem observada na imagem 2.3 (a) e (c), assim como na 2.4 (a) e (c). Estado supercrítico Estado termodinâmico no qual não é possível fazer uma distinção entre os estados líquido e gasoso. A região de estado supercrítico pode ser observada na figura 2.7. magem 2.3 Superfície (a) para a maioria das substâncias que reduz o volume na solidificação e suas projeções: diagrama (b) e diagrama (c). p − v − T, p − v T − v p − v − T p − T p − v 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 32/71 magem 2.6 Diagrama para uma substância pura e a representação das isóbaras. magem 2.3 Superfície (a) para a maioria das substâncias que reduz o volume na solidificação e diagrama p-v (c). magem 2.4 Superfície (a) para as substâncias que expandem o volume na solidificação e diagrama (c). T − v p − v − T p − v − T p − v 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 33/71 Em pressões supercríticas, a mudança de fase de líquido para vapor (ou, melhor dizendo, para fluido supercrítico) é realizada de forma gradual e uniforme, pois não se observa a formação de uma interface líquido-vapor. Nas imagens 2.5 (diagrama ) e 2.6 (diagrama ), também podemos identificar regiões e linhas específicas. Vejamos em ambas a região interna ao perfil parecido com uma cúpula hemisférica de uma catedral (identificada aqui como domo de equilíbrio líquido-vapor). Nessa região, a substância apresenta-se como uma mistura líquido-vapor saturada, uma vez que as fases líquido e vapor coexistem em equilíbrio. Imagem 2.7 - Região de estado supercrítico ou de fluido supercrítico: pressão critica e temperatura crítica. A linha limítrofe à esquerda desse domo de equilíbrio líquido-vapor que termina no ponto crítico é denominada linha de líquido saturado. Apesar de o líquido saturado ser praticamente um líquido, ele apresenta algumas microbolhas de vapor visualmente imperceptíveis para caracterizar esse equilíbrio. p − v T − v pc = Tc = 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 34/71 Já a linha limítrofe desse domo à direta do ponto crítico é chamada de linha de vapor saturado. O vapor saturado é praticamente um vapor, porém possui algumas microgotas de líquido visualmente imperceptíveis para caracterizar o equilíbrio líquido-vapor. A região à esquerda da linha de líquido saturado é conhecida como líquido comprimido ou líquido sub- resfriado. Nessa região, a energia do líquido é insuficiente para permitir a vaporização. Por fim, a região à direita da linha de vapor saturado é chamada de vapor superaquecido. Nessa região, a energia do vapor é alta o suficiente para não permitir a condensação. Para você, existe diferença entre gás e vapor? Para a termodinâmica, define-se o vapor como o estado físico no qual um processo de compressão isotérmico promove a passagem por uma etapa de mudança de fase com a formação de uma interface entre os estados gasoso e líquido. Já na região de gás, um processo de compressão isotérmico não atravessa nenhuma interface de equilíbrio líquido-vapor. A imagem 2.8 ilustra a região de gás localizada acima da isoterma crítica. A região de vapor está localizada após a isoterma crítica e abaixo da pressão crítica : Imagem 2.8 - Diferença entre gás e vapor. (Tc) (pc) 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 35/71 Título O que é o título ? O título (ou qualidade), por definição, significa a razão entre a massa do vapor saturado e a massa total do sistema que se encontra em equilibrio na região de mistura líquido-vapor saturada. Desse modo, temos: Rotacione a tela. Como calcular o título em função do volume específico? Para esse cálculo, vamos considerar as imagens 2.9 e 2.10, pois ambas são diretamente correlacionadas. Imagem 2.9 - Diagrama T- genérico de uma substância pura com indicação de uma transição entre os estados de líquido saturado e de vapor saturado . (x) x = mvapor m total v (f ) (g) 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 36/71 Imagem 2.10 - Diagrama T-v para a água pura, com a representação dos seus estados de equilibrio em um aquecimento/resfriamento isobárico a 100kPa. Na imagem 2.9, o ponto é um ponto de líquido saturado com valor do volume específico igual a ; o ponto , um ponto de vapor saturado com volume específico igual a . Já a 2.10 representa uma situação de equilíbrio entre um líquido saturado (ponto 2) e um vapor saturado (ponto 4) para a água pura, cuja pressão de saturação (psat) é igual a . Nessa imagem, a temperatura de saturação é igual a . Associando respectivamente as duas imagens, verifica-se que o ponto 2 equivale ao e o ponto 4, ao . Como o título traduz a fração em massa do vapor saturado na mistura líquido-vapor, no ponto 2 , o título é zero ; no ponto . Dessa forma, o título só é quantificado na região de mistura líquido- vapor saturada, assumindo valores entre 0 (líquido saturado) e 1 (vapor saturado). Vamos calcular agora o título no ponto 3 (imagem 2.10). O volume total do sistema em equilibrio líquido-vapor é a soma dos volumes do líquido saturado e do vapor saturado . Dessa forma, temos: ressão de saturação A pressão de saturação é a pressão a dada temperatura na qual a substância muda de fase. emperatura de saturação f vf g vg 100kPa (Tsat ) 100∘C f g (x = 0) 4, 1(x = 1) (V) (Vliq) (Vvap) 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 37/71 A temperatura de saturação é a temperatura a dada pressão na qual a substância muda de fase. Rotacione a tela. Considerando o volume específicodo líquido saturado , o volume específico do vapor saturado e o volume específico total da mistura , podemos escrever: Rotacione a tela. Dividindo a expressão acima pela massa total, , obtemos: Rotacione a tela. Por definição: Rotacione a tela. Logo: Rotacione a tela. Sabendo que: Rotacione a tela. Assim: V = Vliq + Vvap (vliq) (vvap ) (v) m total v = m liq vliq + mvap vvap m total v = m liq m total vliq + mvap m total vvap x = mvap m total v = m liq m total vliq + xvvap m total = m liq + mvap ⇒ 1 = m liq m total + mvap m total ⇒ m liq m total = 1 − x 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 38/71 Rotacione a tela. Rearranjando a equação anterior, chegamos finalmente à equação para o cálculo do título com base nos volumes específicos: Rotacione a tela. Agora pense: Considerando um estado termodinâmico de equilíbrio, o que significa uma equação de estado? Ela é uma expressão (equação matemática) que relaciona as variáveis de estado que definem completamente o estado termodinâmico. Para os gases puros, essas variáveis são apenas três: 1. Pressão 2. Temperatura 3. Volume específico (ou volume molar) Demonstração Um conjunto cilindro-pistão contém de água saturada e de seu vapor saturado em equilibrio na pressão de , em que o volume específico do líquido saturado e o do vapor saturado são iguais respectivamente a e . Se o diâmetro interno do cilindro é de , determine o título nesse sistema. v = (1 − x)vliq + xvvap x = v − vliq vvap − vliq 1 cm 9 cm 250kPa 0, 001067 m3/ kg 0, 71871 m3/ kg 5 cm 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 39/71 Cálculo do volume das regiões de líquido e vapor no conjunto cilindro-pistão: Área da seção reta Volume Portanto, considerando o sistema internacional de unidades (SI), temos que: Rotacione a tela. Da definição de volume específico: Resposta (ASR) = π D2 4 = ASR × h Vliq = π 0, 052 4 × 0, 01 = 3, 14 0, 052 4 × 0, 01 = 0, 000019625 m3 Vvap = π 0, 052 4 × 0, 09 = 3, 14 0, 052 4 × 0, 09 = 0, 00017662 m3 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 40/71 Rotacione a tela. Cálculo do título : Rotacione a tela. Mão na massa Questão 1 Observe atentamente o digrama pressão-temperatura para o gelo seco, que, aliás, nada mais é do que o dióxido de carbono (CO2) no estado sólido. Com base nesse diagrama, assinale a alternativa correta. vliq = Vliq m liq ⇒ m liq = Vliq vliq = 0, 000019625 0, 001067 = 0, 01839 kg vvap = Vvap mvap ⇒ mvap = Vvap vvap = 0, 00017662 0, 71871 = 0, 0002457 kg (x) x = mvap m total = 0, 0002457 0, 0002457 + 0, 01839 = 0, 0002457 0, 01864 = 0, 013 = 1, 3% 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 41/71 Parabéns! A alternativa C está correta. A linha de equilíbrio entre o estado sólido e o gasoso está situada após o ponto triplo bar e . Assim, caso essa linha seja cruzada, saindo do estado sólido e chegando ao gasoso, temos um processo de sublimação. Ponto triplo: 5,185 bar e . Ponto crítico: bar e . A A pressão crítica é bar.1, 013 B A temperatura crítica é .− 56, 57∘C C O CO2 pode sublimar em pressões inferiores a bar.5, 185 D Em um processo de aumento de pressão, sendo a temperatura constante entre os valores de e de , não é possível observar uma interface líquido - vapor.− 56, 57∘C 31∘C E A bar e , somente os estados líquido e gasoso estão em equilíbrio.5, 185 − 56, 57∘C (p < 5, 185 T < − 56, 57∘C) p = T = − 56, 57∘C pC = 73, 8 TC = 31∘C 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 42/71 Questão 2 O diagrama adiante é característico de que tipo específico de substâncias? Parabéns! A alternativa B está correta. Assista ao vídeo a seguir para conferir a resolução da questão. p − v − T A Substâncias que se expandem no processo de fusão. B Substâncias que se contraem no processo de fusão. C Substâncias que se expandem no processo de condensação. D Substâncias que se contraem no processo de ressublimação. E Substâncias que se contraem no processo de vaporização. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 43/71 Questão 3 Observe atentamente o diagrama para a água (H2O) pura e, com base nesse diagrama, assinale a alternativa correta. p − T A A água entra em ebulição a .374, 12∘C B A pressão de saturação da água a é de bar.100∘C 221, 2 C A temperatura de saturação da água a bar é de .0, 06 100∘C D Na pressão de bar, a água entra em ebulição a .1, 013 100∘C 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 44/71 Parabéns! A alternativa D está correta. A ebulição é um estado de equilibrio entre as fases líquida e vapor. Assim, para especificar um estado em uma situação de equilibrio, devemos especificar tanto a pressão quanto a temperatura. O ponto crítico é único, definido e invariante para uma substância pura. Ponto crítico da água: bar e . Questão 4 Quando você entra em uma lagoa com água límpida e muito fria, essa água, em um diagrama de fase, deve ser classificada como Parabéns! A alternativa E está correta. No diagrama de fase, a substância líquida que não possui energia suficiente para mudar da fase líquida para a gasosa é classificada como líquido sub-resfriado ou líquido comprimido. E A temperatura crítica da água aumentará se elevarmos a pressão. pC = 221, 2 TC = 374, 12∘C A líquido saturado. B líquido insaturado. C líquido gelado. D líquido superaquecido. E líquido comprimido. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 45/71 Questão 5 Um recipiente fechado de parede rígida contém em seu interior etanol como uma mistura líquido-vapor saturada. A massa total do etanol no recipiente é de 5,0kg e a massa de líquido nesse equilíbrio, de 2,0kg. Qual é o título do etanol nesse sistema? Parabéns! A alternativa C está correta. O título é a fração em massa do vapor. Dessa forma, temos: Rotacione a tela. Assim, o título será calculado por: Rotacione a tela. Questão 6 A 0. B 0,40. C 0,60. D 1. E O título não é definido nesse sistema. mvapor = m total − m líquido = 5 − 2 = 3 kg x = mvapor m total = 3 5 = 0, 60 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 46/71 Uma substância pura passa por um processo isotérmico, saindo da situação de líquido saturado (1) para a de vapor superaquecido (2). Assinale a alternativa que representa corretamente esse processo. Parabéns! A alternativa E está correta. O aquecimento isotérmico no diagrama p-v, segue a isoterma de Andrews na região de mistura líquido- vapor saturada. O líquido saturado localiza-se na linha limítrofe do domo de equilíbrio líquido-vapor, situando à esquerda do ponto crítico. O vapor saturado, por sua vez, está na linha limítrofe do domo de equilíbrio líquido-vapor, situando à direita do ponto crítico. O vapor superaquecido, por fim, fica na região à direita da linha de vapor saturado. A Imagem (I) B Imagem (II) C Imagem (III) D Imagem (IV) E Imagem (V) _black 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 47/71 Teoria na prática Os motores de combustão interna podem apresentar quatro tempos motor: admissão, compressão, expansão e descarga. No diagrama do ciclo Otto ilustrado a seguir, identifique o tempo motor de compressão, em que o deslocamento do pistão comprime a mistura ar-combustível, e o tempo motor de expansão, no qual os gases de combustão, a alta temperatura e alta pressão forçamo deslocamento do pistão para produzir trabalho útil. Falta pouco para atingir seus objetivos. p − v Mostrar solução 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 48/71 Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 Um botijão de gás liquefeito de petróleo (GLP) totalmente cheio apresenta 85% do seu volume ocupado por uma fase líquida e o restante preenchido por uma gasosa em equilíbrio líquido-vapor. Considere que o volume interno do botijão seja de 32L; o volume específico do líquido saturado, 2,0L/kg; e o volume específico do vapor saturado, 71,8L/kg. Qual será o título observado no botijão de GLP quando ele ficar cheio? A 0,005 B 0,050 C 0,100 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 49/71 Parabéns! A alternativa A está correta. Do enunciado: Rotacione a tela. Considerando os volumes específicos: Rotacione a tela. Cálculo do título : Rotacione a tela. Questão 2 (Adaptado de: UnB/CESPE – Petrobras - Engenheiro de Processamento Júnior - 2008) Considere o diagrama de fase de uma substância pura representado a seguir e assinale a alternativa correta referente às propriedades termodinâmicas. D 0,150 E 0,200s Vtotal = 32L Vliq = 0, 85 × 32 = 27, 2L Vvap = 32 − 27, 2 = 4, 8L vliq = 2L/ kg vvap = 71, 8 L/ kg vliq = Vliq m liq ⇒ m liq = Vliq vliq = 27,2 2 = 13, 6 kg vvap = Vvap mvap ⇒ mvap = Vvap vvap = 4,8 71,8 = 0, 0668 kg (x) x = mvap m total = 0,0668 0,0668+ 13,6 = 0,0668 13,7 = 0, 00489 = 0, 5% 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 50/71 Parabéns! A alternativa E está correta. A região IV representa uma região de fluido supercrítico. Um processo nessa região não atravessa a linha de equilíbrio líquido-vapor, não havendo, portanto, a formação de uma transição de fase, de líquido para vapor ou de vapor para líquido, em que é possível observar um contraste entre os valores do volume específico do líquido saturado e do volume específico do vapor saturado, o que caracterizaria uma descontinuidade. A Para as regiões I e II do diagrama, a escolha de apenas uma propriedade de estado, ou seja, somente a fixação da pressão ou da temperatura, já é suficiente para definir o estado da substância. B A linha tracejada identificada pela letra B representa a isoterma crítica. C Na região III, o resfriamento da substância à pressão constante leva a um estado de menor organização molecular. D O segmento AO representa a transição entre os estados líquido e gasoso. E Na região IV, observa-se uma completa continuidade dos estados. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 51/71 3 - Lei zero da termodinâmica Ao �nal deste módulo, você será capaz de analisar a lei zero da termodinâmica. Vamos começar! Lei zero da termodinâmica Veja conceitos e definições relativos à termometria e aos sistemas aberto, fechado e isolado. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 52/71 Equilíbrios térmico e mecânico A termodinâmica está fundamentada em algumas afirmações. Postuladas como leis, elas apresentam um amplo espectro de aplicação em sistemas físicos e químicos. Essas leis embutem em sua formulação muitos anos de observação e de experimentação, não necessitando, portanto, de demonstração. São elas: Lei zero da termodinâmica Primeira lei da termodinâmica Segunda lei da termodinâmica Terceira lei da termodinâmica 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 53/71 Quando um sistema está em equilíbrio com a vizinhança, todas as propriedades ou variáveis de estado desse sistema têm valor definido e invariável. Por sua vez, uma situação de desequilíbrio força o sistema, de forma natural ou espontânea, a evoluir para a situação de equilíbrio. Na análise da situação de equilíbrio, associa-se a cada tipo de equilíbrio uma variável de estado intimamente correlacionada com as características do equilíbrio investigado. Sendo assim, consideramos: Equilíbrio mecânico A variável de estado do sistema associada ao equilíbrio é a pressão (p). Assim, para a situação de equilíbrio mecânico, temos: Equilíbrio térmico A variável de estado do sistema associada ao equilíbrio é a temperatura (T). Logo, para a situação de equilíbrio térmico, temos: Para uma situação de desequilíbrio térmico, quando dois sistemas em diferentes temperaturas são colocados em contanto por meio de um fronteira diatérmica, ou seja, aquela que permite a transferência de energia na forma de calor, os sistemas naturalmente caminham para uma situação de equilíbrio, conforme podemos observar na imagem 3.1. psistema = pvizinhança Tsistema = Tvizinhança 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 54/71 Imagem 3.1 – Transferência de energia na forma de calor e o equilíbrio térmico. Podemos observar na imagem acima que, em função da diferença de temperatura entre o sistema quente (bloco a alta temperatura) e o frio (bloco a baixa temperatura), a energia na forma de calor será transferida da região de alta temperatura para a de baixa temperatura até o estabelecimento de um equilíbrio térmico com a igualdade das temperaturas. Notamos ainda que a energia térmica reflete diretamente a soma das energias cinética e potencial, ou seja, de movimento e de afastamento das espécies químicas constituintes do sistema. No caso de um sistema sólido, essa energia é transferida por contato direto. Temperatura Por intermédio da teoria cinética dos gases, conseguimos associar a temperatura diretamente com a quantidade de energia cinética contida nas espécies químicas que constituem a matéria do sistema. No entanto, a temperatura nada mais é que uma propriedade de estado que permite verificar se o sistema está ou não em equilíbrio térmico com a vizinhança. Como medir a temperatura? Ela é medida por meio de dispositivos denominados termômetros, que são sistemas termodinâmicos que relacionam diretamente o valor da temperatura com a medida de uma propriedade de estado passível de calibração. Nos termômetros de bulbo, por exemplo, a propriedade de estado diretamente correlacionada com o valor da temperatura é a dilatação térmica de um fluido denominado fluido termométrico. São exemplos de 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 55/71 fluidos termométricos: Mercúrio Etanol (geralmente misturado com um corante vermelho) A imagem ao lado ilustra um termômetro de bulbo com reservatório para o fluido termométrico (bulbo) conectado a um tubo capilar que acomoda a dilatação térmica. Na imagem podemos observar a existência de uma relação direta entre o comprimento da coluna de dilatação térmica do fluido termométrico e o valor da temperatura, cuja leitura é realizada em determinada escala. Imagem 3.2 – Termômetro de bulbo Imagem 3.3 – Escalas empíricas de temperatura. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 56/71 Já esta imagem apresenta as escalas empíricas ou práticas de temperatura: a escala Celsius (℃) e a Fahrenheit (℉). Nessas escalas, as temperaturas podem assumir tanto valores positivos quanto negativos. Mas o que é a escala termodinâmica de temperatura? Ela é uma escala de temperatura absoluta na qual são observados somente valares positivos para a temperatura. Há duas escalas termodinâmicas: Escala Kelvin Com relação direta com a Celsius (℃), ela segue a seguinte relação de conversão: Escala Rankine Com relação direta com a Fahrenheit (℉), ela segue a seguinte relação de conversão: Quando consideramos dois pontos fixos de calibração, o estadode equilíbrio entre gelo e água saturada à pressão de 1atm (ponto de gelo) e o de equilíbrio entre vapor de água e água líquida à pressão de 1atm (ponto de vapor), é possível correlacionar as escalas de temperatura conforme a representação da imagem 3.4. Devemos observar que as variações de temperatura nas escalas Celsius e Kelvin são equivalentes, pois, se escolhermos dois pontos fixos quaisquer, como a fusão do gelo e a vaporização da água a 1atm, teremos uma variação de 100 oC na escala Celsius e de 100k na escala Kelvin. A equivalência na variação de temperatura também pode ser observada entre as escalas Fahrenheit e Rankine. (K ) T(K ) = t (∘C) + 273 (R) T(R) = t (∘F) + 460 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 57/71 Imagem 3.4 – Comparação entre as escalas de temperatura. Enunciado da lei zero Além de o sistema interagir com sua vizinhança trocando energia, ele pode interagir mediante a troca de massa. Assim, considerando as interações sistema-vizinhança, podemos classificar os sistemas de acordo com a representação da imagem abaixo, que compara e faz uma distinção entre os sistemas aberto, fechado e isolado. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 58/71 Imagem 3.5 – Sistemas aberto, fechado e isolado, além de suas interações com a vizinhança. Agora vamos entender a lei zero da termodinâmica. A lei de termometria traduz uma interpretação óbvia do equilíbrio térmico. Observe a imagem: Imagem 3.6 – Interpretação da lei zero da termodinâmica. Na imagem 3.6, vamos considerar a ocorrência das seguintes situações simultâneas: 1. O sistema A está em equilíbrio térmico com o sistema B; 2. O sistema A também está em equilíbrio térmico com o sistema C. Assim, mesmo que os sistemas B e C não estejam em contato físico direto, podemos inferir que os sistemas B e C também estão em equilíbrio térmico. A lei zero da termodinâmica estabelece que: 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 59/71 Se: e: então: Agora vamos à pergunta-chave: quem é o termômetro na representação da imagem 3.6? Resposta: o sistema A. Demonstração A escala hipotética de temperatura Bruce (oB) adota dois pontos de calibração: o ponto de gelo e o de vapor da água na pressão de 1atm. Essa escala define respectivamente os valores 13oB e 68oB para esses pontos de equilíbrio. Considerando que um estado febril humano é de 40oC, quanto é esse valor em graus Bruce? Logo, pela relação de proporcionalidade entre os seguimentos, podemos escrever: Rotacione a tela. Ou: TA = TB TA = TC TB = TC Resposta θC − 0 100 − 0 = θB − 13 68 − 13 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 60/71 Rotacione a tela. Desse modo, quando : Rotacione a tela. Mão na massa Questão 1 Em relação às escalas de temperatura, assinale a opção correta. θC 100 = θB − 13 55 θc = 40∘C 40 100 = θB − 13 55 ⇒ θB = 40 100 × 55 + 13 = 35 ∘B A 300K < 0oC B 273K < -10oC C 32oF > 492R D 0K = 0R E 212oF = 772R 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 61/71 Parabéns! A alternativa D está correta. Para compararmos as temperaturas, devemos uniformizar as escalas. Desse modo, 0oC = 273K; -10oC = 263K; 32oF = 492R; e 212oF = 672R. O zero absoluto de temperatura representa um mesmo estado termodinâmico tanto a 0k (zero klevin) quanto a 0R (zero rankine). Questão 2 O tubo de Bourdon, que permite quantificar a pressão nos manômetros metálicos, representa que tipo de sistema termodinâmico? Imagem à direita: tubo de Bourdon; Imagem à esquerda: manômetro metálico. A Fechado B Isolado C Aberto D Saturado 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 62/71 Parabéns! A alternativa C está correta. Para medir a pressão de um sistema gasoso, o gás precisa entrar no tubo de Bourdon para promover a extensão dele e, como consequência, a medida da pressão com o auxílio de uma escala. Por isso, com a entrada de gás, o sistema manômetro troca massa. Desse modo, o tubo de Bourdon é um sistema aberto. Questão 3 Um sistema de arrefecimento de um carro, desde que não haja vazamentos e que o nível da água esteja preenchido, representa que tipo de sistema? E Comprimido A Fechado B Isolado C Aberto 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 63/71 Parabéns! A alternativa A está correta. Como não existem vazamentos e o nível da água já está preenchido, esse sistema não troca massa, mas pode trocar energia. Dessa forma, se trata de um sistema fechado. Questão 4 A lei zero da termodinâmica é uma lei que expressa Parabéns! A alternativa B está correta. A lei zero da termodinâmica é uma relação lógica e óbvia associada à medida da temperatura e ao equilíbrio térmico, o que caracteriza um princípio de termometria. D Saturado E Comprimido A o princípio de conservação da energia. B um princípio de termometria. C um princípio de medida de temperatura. D o princípio de conservação da massa. E o caminho da seta do tempo. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 64/71 Questão 5 Uma tubulação de vapor de água fornece vapor a 400oF. Qual é a temperatura desse vapor em rankine? Parabéns! A alternativa A está correta. Rotacione a tela. Questão 6 A escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90) fixa como único ponto de calibração o ponto triplo da água, atribuindo a esse ponto um valor de temperatura igual a 0,01oC. Qual é a temperatura do ponto triplo da água em kelvin? A 860R B 673 R C 950R D 1100R E 1200R T(R) = t (∘F ) + 460 T(R) = 400 + 460 = 860R A 0k 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 65/71 Parabéns! A alternativa E está correta. Assista ao vídeo a seguir para conferir a resolução da questão. Teoria na prática Considere o dispositivo a seguir cujos dois fios de ligas metálicas distintas estão conectados por um tipo especial de solda, formando uma junta. Na extremidade oposta da junta, os dois fios estão acoplados a um voltímetro para medir uma possível diferença de potencial elétrico (ddp). B 273,15K C 373,15K D 310,15K E 273,16K _black 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 66/71 Chamada de efeito Seebeck, uma observação experimental estabelece uma relação linear entre a temperatura e a tensão elétrica gerada entre dois fios de diferentes metais ou ligas metálicas conectados por uma junção quando ela é submetida a determinada temperatura. Com base nas informações acima, responda: tal dispositivo pode funcionar como um termômetro? Caso ele possa, qual será sua propriedade termométrica? Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 No seu dia a dia, você interage com o ambiente: troca energia e executa atividades físicas, mentais e de lazer, além de realizar suas necessidades biológicas. Mostrar solução 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 67/71 Imagem à direita: você; Imagem à esquerda: você, em traje de astronauta. Em determinado momento, você veste um traje de astronauta com um dispositivo acoplado que lhe permite respirar normalmente no interior do traje sem realizar trocas gasosas com o exterior, isto é, ele é hermético. Além disso, o traje não permite trocas de energia. Dentro do traje, você é um sistema Parabéns! A alternativa B está correta. O sistema isolado não interage com a vizinhança. Ele não troca massa nem energia.Questão 2 Marque a opção que apresenta o melhor enunciado para a lei zero da termodinâmica. A fechado. B isolado. C aberto. D saturado. E comprimido. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 68/71 Parabéns! A alternativa A está correta. Essa é a aplicação lógica dos princípios de termometria. Considerações �nais Você começou a construir, neste conteúdo, um cabedal de informações necessário ao entendimento da termodinâmica. Isso lhe permitirá estudar e analisar diversos dispositivos de interesse da engenharia, assim como resolver seus problemas, já que a identificação de sistemas e a descrição do comportamento com base nas propriedades e nos processos são de suma importância. No estudo dos sistemas termodinâmicos, você passou a ter um entendimento sobre sistema, fronteira, vizinhança, estado termodinâmico, propriedades intensivas e extensivas e processo. Ao conhecer o equilíbrio de fase de uma substância pura, por sua vez, você assimilou conceitos muito importantes e de A Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si. B Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico, eles também estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema. C Quando um corpo está em equilíbrio térmico com outros dois corpos, os três corpos estão em equilíbrio térmico entre si. D Um terceiro corpo está em equilíbrio térmico com outros dois sempre que esses dois apresentam a mesma temperatura. E Quando um terceiro corpo é colocado em contato com dois corpos em equilíbrio térmico, eles obrigatoriamente apresentam a mesma temperatura. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 69/71 vasta aplicação na termodinâmica, como fase, equilíbrio de fase, diagrama de fase e superfícies , e e , além de aprender a calcular o título. Por fim, após o estudo da lei zero da termodinâmica, você já sabe definir o equilíbrio térmico e o mecânico, assim como a temperatura e os sistemas aberto, fechado e isolado. Também consegue trabalhar com as escalas Kelvin, Celsius, Rankine e Fahrenheit, sabendo ainda interpretar a lei zero da termodinâmica. Podcast Para encerrar, ouça sobre a diferença entre um gás ideal e um real, e os efeitos moleculares capazes de provar o desvio do comportamento denominado ideal e como tais efeitos são introduzidos em uma equação de estado. p − v − T p − v T–v p − T Explore + Confira agora o que separamos especialmente para você! Faça uma pesquisa sobre duas equações de estado: equação do gás ideal e equação de van der Waals. Identifique as variáveis de estado e os parâmetros característicos de cada uma. 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 70/71 Referências ATKINS, P.; DE PAULA, J. Físico-química. v. 1. Tradução da 8ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Cap. 1-2. BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da termodinâmica. Tradução da 7ª edição americana – série Van Wylen. Revisão técnica de Macello Metz. São Paulo: Edgard Blucher, 2009. cap 1-3. CENGEL, Y. A., BOLES, M. A. Thermodynamics: an engineering approach. 5. ed. New York: McGraw-Hill, 2006. cap. 1-3. COELHO, J. C. M. Energia e fluidos: termodinâmica. v. 1. São Paulo: Blucher, 2016. cap. 1-2. KROOS, K. A.; POTTER, M. C. Termodinâmica para engenheiros. Tradução da 1ª edição norte americana. Revisão técnica de Fernando Guimarães Aguiar. São Paulo: Cengage Learning, 2015. cap. 1-2. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETTNER, D. D.; BAILEY, M. B. Fundamentals of engineering thermodynamics. 7. ed. New Jersey: John Wiley & Sons, 2011. cap. 1-3. POTTER, M. C.; SCOTT, E. P. Ciências térmicas: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transmissão de calor. Revisão técnica de Sérgio Nascimento Bordalo. São Paulo: Thomson Learning, 2007. cap. 1-2. Material para download Clique no botão abaixo para fazer o download do conteúdo completo em formato PDF. Download material javascript:CriaPDF() 30/08/2023, 21:25 Sistemas termodinâmicos https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/03525/index.html# 71/71 O que você achou do conteúdo? Relatar problema
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