Fundamentos De Calorimetria E Termodinâmica(EMC103)-Aula 01

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FUNDAMENTOS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA
TUTOR: ÍCARO J. R. QUEVEDO
INTRODUÇÃO
Os engenheiros fazem uso dos princípios básicos da termodinâmica e de outras ciências da engenharia, tal qual a mecânica dos fluidos e a transferência de calor e massa, para analisar e projetar sistemas visando atender aos anseios da humanidade. Durante todo o século XX, foram aplicadas soluções de engenharia utilizando-se da termodinâmica, as quais ajudaram a abrir caminho para melhorias consideráveis na qualidade de vida do ser humano, com importantes avanços em áreas significativas, como a aeronáutica, viagens espaciais, transporte em superfície, geração e transmissão de eletricidade, construções com sistemas de refrigeração e aquecimento, e melhorias nas práticas médicas.
SISTEMA TERMODINÂMICO E O VOLUME
Analogamente às analises em mecânica, na termodinâmica utiliza-se o termo sistema para indicar o objeto de análise. Desta forma, quando o sistema é determinado e são identificadas as interações importantes com os outros sistemas, uma ou mais leis ou relações físicas são aplicadas.
SISTEMA TERMODINÂMICO E O VOLUME
Um sistema termodinâmico é todo aquele objeto de análise que se deseja estudar. Sua complexidade pode variar desde um simples corpo livre até uma complexa refinaria química completa. Podemos querer estudar determinada quantidade de matéria, em um recipiente fechado com paredes rígidas, ou analisar alguma coisa, como o escoamento de gás natural em um gasoduto. No sistema, a composição da matéria pode ser fixa ou variar em função de reações químicas ou nucleares. O volume e a forma do sistema que está sendo analisado não precisam ser, necessariamente, constantes, como no caso em que consideramos um gás comprimido por um pistão no interior de um cilindro ou quando um balão é inflado.
SISTEMA FECHADO
Um sistema fechado é definido quando uma determinada quantidade de matéria encontra-se em estudo. Um sistema fechado sempre contém a mesma quantidade de matéria. Assim, não pode haver fluxo de massa através das fronteiras de um sistema fechado. Existe um tipo especial de sistema fechado, conhecido como sistema isolado, que não interage de forma alguma com suas vizinhanças. Em um sistema isolado, calor e trabalho não cruzam a fronteira do sistema.
VOLUME DE CONTROLE
Em geral, um volume de controle pode ser definido por uma superfície de controle delimitada por uma fronteira preestabelecida. Em um volume de controle podem ocorrer escoamentos de entrada e saída de massa.
FRONTEIRA DO SISTEMA
Antes de uma análise termodinâmica é fundamental delinear, cuidadosamente, a fronteira do sistema. No entanto, um mesmo fenômeno físico pode ser analisado com diversas possibilidades de sistema, fronteira e vizinhanças. A definição de certa fronteira, que define determinado sistema, é intimamente dependente da conveniência que essa definição proporciona à análise.
EQUILIBRIO
O conceito de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro são fundamentais na termodinâmica clássica. Em mecânica, o conceito de equilíbrio remete a uma condição de estabilidade mantida por forças de mesmo módulo e direção, mas sentidos opostos. Já em termodinâmica, o conceito de equilíbrio é mais amplo, pois inclui o equilíbrio de outras influências além do equilíbrio de forças. Assim, em termodinâmica é necessário que existam vários tipos de equilíbrios individuais para que haja uma condição total de equilíbrio. Dentre esses equilíbrios individuais, podemos citar o mecânico, o térmico, de fase e químico.
UNIDADES
FORÇA
No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de força é definida de acordo com a segunda lei de Newton, e é derivada das unidades de massa, comprimento e tempo. Assim, essa lei define que a força (F) atuante sobre um corpo é proporcional ao produto da massa (m) desse corpo pela aceleração (a) na direção da força.
F = m∙a 
DENSIDADE
Podemos definir densidade (massa específica) como sendo massa por unidade de volume.
PRESSÃO
A pressão é definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área. Observe que a pressão do vapor de mercúrio é bem menor que a pressão atmosférica.
Patm = ρm*g*H
EXERCICIO
Considere um local onde a aceleração da gravidade apresenta valor de 9,68 m/s² . Determine o peso de um corpo neste local, ao verificar que sua massa é de dois quilogramas.
F = m∙a
F = 2∙9,68
F = 19,36 N
EXERCICIO
2) Considere um local na superfície da Terra onde a aceleração da gravidade é o valor padrão de 9,80665 m/s² . Determine o peso em newtons de um corpo que apresente massa de 2000 kg nesse local. Utilize como base o sistema de unidades SI.
F = m∙a
F = 2000∙ 9,80665
F = 19613,3 N
EXERCICIO
3) Sabe-se que a massa específica do mercúrio a 25 ° C é igual a 13.534 kg/m3 . Considere uma sala onde se encontra um barômetro de mercúrio com uma coluna de 950 mm de altura. Determine a pressão atmosférica nessa situação, em kPa. Utilize a aceleração da gravidade a 9,807 m/s². 
Patm = ρm*g*H
Patm = 13534 * 9,807*0,95
Patm = 126091,5411 Pa
Patm = 126,0915411 KPa
ENERGIA
Certa quantia de massa macroscópica pode possuir energia na forma de energia interna, inerente a sua estrutura interna, energia cinética como consequência de seu movimento e energia potencial relativa às forças externas que atuam sobre ela. Podemos escrever a energia total da seguinte forma: 
E = Interna + Cinética + Potencial = U + EC + EP 
ENERGIA
Em que a energia cinética é classificada como a energia em movimento translacional e a energia potencial assume a força gravitacional constante. Caso a energia cinética apresente rotação, deve ser adicionado o termo da energia cinética rotacional (½ω² ).
Outra forma de energia é o trabalho, que pode ser definido como a força vezes distância. Consequentemente, sua unidade de medida é o “newton-metro (N∙m)”, mais comumente chamado de joule 
1 J = 1 N∙m 
TEMPERATURA
Em vista da dificuldade em se definir temperatura, definimos igualdade de temperatura ao considerar que quando a temperatura de um corpo muda, outras propriedades também se alteram.
Podemos dizer que os dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações, em qualquer uma de suas propriedades mensuráveis, quando colocados em contato térmico.
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
“a Lei Zero da Termodinâmica estabelece que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si”.
A Lei Zero da Termodinâmica é a base para a medição de temperatura. Com este princípio, podemos colocar números em um termômetro de mercúrio e sempre que um corpo apresentar igualdade de temperatura com o termômetro, poderemos afirmar que o corpo possui a mesma temperatura lida no termômetro.
TERMÔMETROS
Qualquer corpo que apresente uma propriedade mensurável, que varie em concordância com a variação da sua temperatura, pode ser utilizado como um termômetro. Esta propriedade é denominada propriedade termométrica. Uma substância específica que apresenta mudanças na sua propriedade termométrica é conhecida como substância termométrica.
EXERCÍCIO
Um kfg é um peso de um kg no campo gravitacional padrão. Qual é o peso de 1 kg em N?
F = m * a
F = m * g
F= 1 kg * 9,8 m/s²
F = 9,8 N
EXERCÍCIO
2) Converta as seguintes temperaturas de °F e em °C: 
45 °F 
T°C = T°F - 32 / 1,8
T°C = 45 - 32 / 1,8
T°C = 13 / 1,8
T°C = 7,22 °C
b) -42 °F
T°C = T°F - 32 / 1,8
T°C = - 42 - 32 / 1,8
T°C = - 74 / 1,8
T°C = - 41,11 °C
ESTADO LIQUIDO E SÓLIDO
Quando a pressão de um líquido é maior que a pressão de saturação para determinada temperatura, o estado é um estado de líquido compressível. Se observarmos o mesmo estado, mas compararmos com o estado de líquido saturado à mesma pressão, verifica-se que a temperatura é menor que a temperatura de saturação; por isso, denominamos líquido sub-resfriado. Estes estados líquidos também são denominados líquido comprimido.
ESTADO LIQUIDO E SÓLIDO
Um estado com a temperatura menor que a temperatura saturada para uma determinada pressão na linhade fusão ou de sublimação proporciona um estado de sólido, que também é denominado sólido resfriado. Porém, se para uma determinada temperatura a pressão for maior que a pressão de sublimação saturada, têm-se um sólido comprimido, a não ser que a pressão seja alta a ponto de exceder a pressão de saturação na linha de fusão. 
ESTADO LIQUIDO E SÓLIDO
As propriedades de um sólido são, essencialmente, função da temperatura. Como o sólido é praticamente incompressível, significa que a pressão não pode modificar as distâncias intermoleculares, e a pressão não afeta o volume. Essa situação é evidente na superfície P-v-T para o sólido, que é praticamente vertical.
VAPOR SUPERAQUECIDO
Um estado em que a pressão é menor que a pressão saturada para certa T é um vapor expandido ou, quando comparado a um estado saturado na mesma pressão, exibe uma temperatura maior, que desse modo é denominado vapor superaquecido. Essa designação é utilizada para estes estados e para estados próximos da curva de vapor saturado.
FATOR DE COMPRESSIBILIDADE
A razão adimensional Pv = RT é designada fator de compressibilidade, o qual é representado pela letra Z: