1) Introducao e conceitos fundamentais

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Escola Politécnica da 
Universidade de São Paulo
© Prof. Dr. Maurício Silva Ferreira
Termodinâmica 
1) Introdução e conceitos fundamentais
v. 1.2
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Ao final desta aula você será capaz de
• Explicar os conceitos de sistema, volume de controle, vizinhança e fronteira;
• Identificar propriedades intensivas e extensivas, citando exemplos;
• Explicar os conceitos de fase e substância pura, citando exemplos e contra - 
exemplos;
• Explicar os conceitos de propriedade, estado, processo e ciclo;
• Explicar o funcionamento geral de uma central termelétrica a vapor;
• Descrever um ciclo de potência a vapor, listando componentes e explicando 
seu papel ;
• Descrever os passos da metodologia de análise de problemas termodinâmicos.
• Listar as principais fontes energéticas e tecnologias de conversão;
• Entender a composição da matriz energética brasileira e o consumo setorial;
• Visualizar o escopo e métodos do curso; 
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Termhe 
(calor)Do grego: Dynamis 
(potência)+ = Termodinâmica
O objeto de estudo da termodinâmica é a energia e 
suas transformações
Usual
Possível e inviável
Possível e viável
Adaptado de: Eastop, T. D., Croft, D. R., 1996, 
Energy Efficiency for Engineers and 
Technologists, Addison Wesley Longman 
Limited.
Termodinâmica = ciência da energia e da entropia. 
Química
Nuclear
Geo
térmica
Elétrica
TérmicaSolar
Mecânica
Hidro 
e 
Eólica
+ –
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O rendimento típico de sistemas de potência nos dá 
uma ideia de sua aplicabilidade e potencial 
Origem Rendimento típico (%) Faixa típica (%)
Fotovoltaica 15 15 a 22
Solar térmica 15 10 a 25
Turbina a gás 30 15 a 38
Otto 30 25 a 35
Nuclear 33 32 a 35
Turbina a vapor 33 25 a 39
Turbina eólica 40 30 a 60
Diesel 40 35 a 49
Célula a combustível 45 40 a 70
Combinado 50 45 a 60
Hidroelétrica 85 70 a 90
* Atualizado em 2017
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O baixo custo de alguns sistemas de potência 
clássicos explica, em parte, sua longevidade 
MCI automóvel
MCI (50 MW)
Combinado (250 MW)
Pequeno Gerador Diesel (20-100 kW)
Grande Gerador Diesel
Vapor – carvão – subcrítico (250 a 500 MW)
Vapor – carvão – supercrítico (1000 MW)
Eólico
Microturbina (30 a 100 kW)
Célula a combustível
Fotovoltaica
US$ / kW
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
* Valores aproximados (atualizados em 2017)
MCI = motor de combustão interna
Custo capital de sistemas de potência*
+
+ 2490 US$ / kW, EUA, mar/2021, residencial 
https://www.solarreviews.com/solar-panel-cost
++
++ 720 US$ / kW, Br, mar/2021 comercial 
https://www.portalsolar.com.br/painel-solar-precos-custos-de-
instalacao.html 
1 US$ = R$ 5,65
Custo capital: despesas fixas e pontuais incorridas na compra de terrenos, edifícios, 
construção e equipamentos. Em outras palavras, é o custo total necessário para 
tornar um projeto operacional comercialmente.
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O gráfico de Ragone também ajuda a entender porque 
alguns sistemas ainda são utilizados 
Fonte: Levi, G. and Foschi, E. Indication of anomalous heat 
energy production in a reactor device containing hydrogen 
loaded nickel powder, 2013 (Research gate)
"Volantes avançados” possuem rotores feitos de fibra de carbono, suspensos por rolamentos magnéticos e com rotações de 
20.000 a 50.000 rpm em um ambiente evacuado. Procurar por NASA G2 Flywheel.
Comparação entre tecnologias de 
armazenamento de energia: 
densidade de potência vs densidade 
de energia
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A oferta interna energética considera o consumo 
energético total, não só de eletricidade
Fonte: Ministério das Minas e Energia - Balanço energético (2019).
https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-470/Relatório%20S%C3%ADntese%20BEN%202019%20Ano%20Base%202018.pdf
Repartição da oferta interna de energia
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Na matriz elétrica brasileira a energia é gerada 
predominantemente por hidrelétricas e termelétricas
Fonte: Ministério das Minas e Energia - Balanço energético (2019).
https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-470/Relatório%20S%C3%ADntese%20BEN%202019%20Ano%20Base%202018.pdf
Capacidade instalada 
em MW
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A produção industrial e o transporte de carga respondem 
por 64 % do consumo de energia do país
Fonte: Ministério das Minas e Energia - Balanço energético (2019).
https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-470/Relatório%20S%C3%ADntese%20BEN%202019%20Ano%20Base%202018.pdf
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silo
carvão
moedor
ar
óleo
tubulão
gases de exaustão
separador
cinzas
purificador 
de gás
chaminé
turbina
trocador 
de calor
bomba
gerador
rede
aquecimento
O esquema ilustra o funcionamento e componentes de uma 
termelétrica a carvão
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O esquema ilustra os componentes, interações 
energéticas e condição do fluido em um ciclo a vapor
caldeira
turbina a 
vapor
condensador
água
rio
bombamotor 
elétrico
1
2
3
4 +
in
out
líquido
vapor
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O esquema de um ciclo a vapor ilustrando as entradas e 
saídas enérgeticas
caldeira
turbina a 
vapor
condensador
água
1
2 4
3
bomba
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É fundamental entender estes 4 conceitos termodinâmicos
✤Estado termodinâmico – ou simplesmente estado, é a condição da matéria 
caracterizada por suas propriedades.
✤Propriedade termodinâmica – ou simplesmente propriedade, é uma 
característica macroscópica da matéria: massa, volume, pressão, temperatura e energia.
✤Processo – se qualquer propriedade da matéria variar, houve uma mudança de 
estado e dizemos que ocorreu um processo.
✤Ciclo – sequência de processos que começa e termina no mesmo estado.
 Uma grandeza é uma propriedade se sua variação entre dois estados for 
independente do processo.
Se o valor de uma determinada quantidade depende dos detalhes do processo, e não 
apenas dos estados finais, ela não é uma propriedade.
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O conceito de fase nos ajuda a delimitar o escopo do nosso 
curso
Fase: Quantidade de matéria homogênea em composição química e 
em estrutura física. Em uma fase todas as propriedades são uniformes.
Fora do 
nosso escopo
Vapor: fase gasosa que está em contato com a fase líquida ou está próxima da 
região de saturação.
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Trabalharemos com um único tipo de substância, chamada 
substância pura
Exemplos:
✤Água;
✤Fluidos refrigerantes (R12, R22, R134a, R410A, R404A);
✤Oxigênio;
✤Nitrogênio.
Substância pura: Composição química homogênea e invariável. Ela 
pode existir em mais de uma fase, porém sua composição química 
deve ser a mesma em cada fase.
Contra-exemplo:
✤Ar e "ar-líquido", duas fases com composição química diferente.
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Propriedades podem ser de 2 tipos: saiba como identificar
Intensivas:
Pressão;
Temperatura;
Massa específica;
Energia interna específica (u);
Entalpia específica (h);
Entropia específica (s).
Extensivas:
Massa (m);
Volume (V);
Energia interna (U);
Entalpia (H);
Entropia (S).
Substância pura
Divido ao 
meio
Intensivas ou extensivas?
•massa (m);
•volume (V);
•massa específica (ρ);
•pressão (P);
•temperatura (T).
m m/2
V V/2
ρ ρ
P
T
Propriedade intensiva: seu valor é independente da massa.
Propriedade extensivas: seu valor é dependente da massa. São aditivas!
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Sistemas abertos ou fechados são o ponto de partida na 
análise de qualquer problema termodinâmico
✤Sistema fechado – ou simplesmente sistema, é uma quantidade fixa de matéria 
selecionada para análise.
✤Vizinhança – tudo que é externo ao sistema ou volume de controle.
✤Fronteira – superfície real ou imaginária, fixa ou móvel, que separa o sistema da vizinhança. 
A fronteira não tem espessura, volume ou massa.
✤Sistema aberto – ou volume de controle, é uma região no espaço selecionada para 
análise.
m
ar
combustível
∀C1
∀C2
m
∀CSistema *
*considerando apenas um curso / sem 
entrada de ar na bomba
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Equilíbrio é um conceito fulcral em termodinâmica
Freqüentemente nos referimos não apenas às propriedades de uma 
substância, mas também às propriedades deum sistema.
propriedade tem significância para todo o sistema.
O que por sua vez implica no conceito de equilíbrio.
Fronteira
Sistema isolado 
da vizinhança
Valores das propriedades 
uniformes e invariáveis ?
P, T, ...
Exemplo: verificação 
do equilíbrio
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Em alguns processos o desvio da condição é infinitesimal
Processo de quase - equilíbrio: processo no qual a cada instante de 
tempo o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal. Também 
chamado de quase-estático. 
Exemplo:
Quase-equilíbrio
Ausência de gradientes de 
temperatura, pressão e 
potencial químico.
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Metodologia para solução de problemas termodinâmicos: 
nós já a utilizamos no nosso dia-a-dia
Problema: Calcular o saldo ao fim do mês da nossa conta no banco. 
1º) Definir o objeto de estudo conta 
bancária 
2º) Isolar o objeto de estudo
3º) Verificar que informações são 
conhecidas, ou não, sobre a conta 
bancária no início e fim do mês
$ 100,00
dia 1: início
?
dia 30: fim
?
4º) Realizar um balanço de “dinheiro" 
(fluxo de caixa) 
salário
dividendos
$in
impostos
alimentação
transporte
$out
Saldof – Saldoi = ∑$in – ∑$out
dentro do 
objeto de estudo fronteiraImportante: não calculamos ainda!
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Metodologia para solução de problemas termodinâmicos: 
nós já a utilizamos no nosso dia-a-dia
5º) Consultar o holerite, documentos e 
anotações sobre valores dos ganhos e gastos;
6º) Calcular.
Resumo: 
1º) Definir o objeto de estudo; 
2o) Isolar o objeto de estudo do exterior; 
3º) Verificar as informações conhecidas; 
4º) Aplicar um balanço; 
5º) Buscar valores de parâmetros; 
6º) Calcular.
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Metodologia para solução de problemas termodinâmicos: 
nós já a utilizávamos em problemas de mecânica
Problema: O bloco inicialmente em repouso, passa a sofrer a ação da força F constante 
por um período de tempo ∆t. A força de atrito fat não pode ser desprezada, podendo ser 
calculada a partir da força normal N e do coeficiente de atrito dinâmico μ. Calcule a 
velocidade final do bloco (v). Considere que g é a aceleração da gravidade.
mF
caixa
pessoa 
empurrando
1º) Definir o objeto de estudo 
2º) Isolar o objeto de estudo: identificar todas as interações (forças) do objeto com o 
exterior
F
fatmg
N
y
x
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Metodologia para solução de problemas termodinâmicos: 
nós já a utilizávamos em problemas de mecânica
3º) Verificar que informações são conhecidas. 
No início: (instante t = 0), temos que v = 0 e x = 0;
No fim: (t = ∆t), não sabemos quanto vale v e x.
aceleração (a)
t = 0 t = ∆t
4º) Realizar um balanço de quantidade de movimento: 
Taxa de variação da QM = ∑QMin – ∑QMout = ∑Fext
dentro do 
objeto de estudo
fronteira
F
fatmg
N
y
x
m
dv
dt
= ma = F − fat
fat = μN
⇒ ∫
v
0
m dv = ∫
t
0
(F − fat) dt ⇒ v = v0 + at
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mF
caixa
pessoa 
empurrando vf = aΔt a =
F
m
− μgcom
Conseguimos responder à pergunta do enunciado sem fazer uma única conta, 
focando apenas na análise conceitual do problema.
Estas dicas nos ajudam a resolver problemas em 
termodinâmica
✦É importante explorar o resultado obtido, impondo-se valores extremos a uma 
variável e avaliando seu impacto sobre o resultado final. 
✦É importante realizar uma análise dimensional nos resultados. 
4º) Realizar um balanço de quantidade de movimento: 
Notas:
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Metodologia para solução de problemas termodinâmicos: 
nós já a utilizávamos em problemas de mecânica
vf = aΔt a =
F
m
− μgcom
Note que ao longo da análise tecemos hipóteses. 
Ex: admitimos vf↓ | força de arrasto aerodinâmico << F e fat
É mais natural coletar as simplificações adotadas ao longo da solução 
e agrupá-las ao final, ao invés de listá-las logo no início. 
5º) Consultar os valores das grandezas g e μ para realizarmos os cálculos finais - 
podemos admitir, que nesse problema eles foram informados no enunciado;
7º) Listar as hipóteses consideradas.
6º) Calcular a velocidade final – só nesta etapa nós fazemos as contas.
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Vamos contextualizar a metodologia para problemas 
termodinâmicos
1º) Definir o objeto de estudo: sistema fechado ou sistema aberto (volume de controle) 
• representá-lo por um esquema 
• destacá-lo por uma linha pontilhada representando sua fronteira.
2º) Isolar o objeto da vizinhança – identificar as interações do sistema ou volume 
de controle com a vizinhança. 
As interações podem ser de dois tipos:
• interações mássicas 
• interações energéticas (calor ou trabalho)
m
trabalho
calor
caldeira
I
II
turbina
bomba
condensador
III
IV
calor
calor
trabalho
trabalho
V
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Esta é uma das mais importantes etapas da metodologia
3º) Verificar que propriedades são conhecidas no estado inicial, 
intermediários (se for o caso) e final;
1
2 3
…
n
n-1
processo
Devemos responder:
1) Alguma propriedade permaneceu constante 
no processo?
2) Alguma propriedade pode ser determinada 
por um balanço?
3) Temos as informações necessárias para o 
cálculo das interações energéticas?
Meta: Determinar as propriedades 
faltantes de cada estado
Postulado de Estado 
(Cap. 2)
início fim
…
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O sucesso desta etapa depende da escolha do sistema e 
sua clara identificação
4º) Realizar um ou mais balanços de: 
• massa (conservação da massa); 
• energia (1a lei da termodinâmica - conservação da energia);
• entropia (2a lei da termodinâmica).
Propriedadef – Propriedadei = ∑in – ∑out + Geração
dentro do sistema fronteira dentro
Taxa de variação da propriedade = ∑in – ∑out + Geração
dentro do volume de controle fronteira dentro
intervalo
instantânea
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O problema foi resolvido conceitualmente, agora começa a 
parte operacional
3 modelos de substância pura:
substância pura com mudança de fase
gás ideal
substância incompressível
5º) Determinar os valores de propriedades: 
• precisamos determinar valores de propriedades para cada estado, a partir de um 
conjunto mínimo de propriedades, suficientes para definir um estado. 
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Vamos contextualizar a metodologia para problemas 
termodinâmicos
6º) Cálculo – realizar todos os cálculos necessários, lembrando sempre das unidades!
7º) Listar as hipóteses consideradas.
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Dicas que nos ajudam a selecionar um sistema ou volume 
de controle
A escolha do sistema ou do volume de controle não altera o resultado da análise.
Porém, pode torná-la mais complexa e trabalhosa ou nos conduzir a um caminho 
sem saída.
Problema: O bloco inicialmente em repouso, passa a sofrer a ação da força F e desliza 
sem atrito sobre o plano horizontal. Calcule o módulo de sua aceleração.
M m
F
x
M m
F
solução
a =
F
M + m
Ma = F − f(M + m)a = F
a
M
F
f mf
a
f = ma
∴ a =
F
M + m