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Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Química TERMODINÂMICA DE ENGENHARIA QUÍMICA II PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Professor: Edilson Marques Magalhães Balanço de Energia em Sistemas Fechados ►Energia é uma propriedade extensiva que inclui a energia cinética e potencial gravitacional. ►Para sistemas fechados, a energia é transferida para dentro e fora, através da fronteira do sistema por apenas dois meios: trabalho e calor. ►A energia é conservada. Esta é a primeira lei da termodinâmica. ►Agora, consideramos vários aspectos do balanço energético, incluindo o que se entende por variação de energia e transferência de energia. ►O balanço de energia para um sistema fechado é dado por: Quantidade líquida de energia transferida para dentro e fora das fronteiras do sistema por calor e trabalho durante um intervalo de tempo A variação na quantidade de energia contida em um sistema fechado durante algum intervalo de tempo Balanço de Energia em Sistemas Fechados Variação na Energia de um Sistema Na termodinâmica de engenharia, a variação na energia de um sistema é composta por três contribuições: ►Energia cinética ►Energia potencial gravitacional ►Energia interna Variação de Energia Cinética ►A mudança na energia cinética está associada ao movimento do sistema como um todo em relação a uma estrutura de coordenadas externa, como a superfície da Terra. ►Para um sistema de massa m a variação da energia cinética de um estado 1 para um estado 2 é: DEc = Ec2 – Ec1 = 2 1 2 2 VV 2 1 m Em que ►V1 e V2 são as velocidades inicial e final. ►A variação na energia potencial gravitacional está associada à posição do sistema no campo gravitacional da Terra. ►Para um sistema de massa m a variação de energia potencial de um estado 1 para um estado 2 é: DEp = Ep2 – Ep1 = mg(z2 – z1) Em que ►z1 e z2 são as elevações inicial e final em relação à superfície da Terra, respectivamente. ►g é a aceleração da gravidade. Variação de Energia Potencial Gravitacional Variação de Energia Interna ►A mudança na energia interna está associada à composição do sistema, incluindo sua composição química. ►Não existe uma expressão simples comparável às equações para avaliar a mudança de energia interna para uma ampla gama de aplicações. Na maioria dos casos a variação de energia interna será calculada usando dados de tabelas nos apêndices do livros. ►Assim como as energia cinética e potencial, a energia interna é uma propriedade extensiva. ►A energia interna é representada por U. ►Em resumo, a variação na energia de um sistema do estado 1 para o estado 2 é E2 – E1 = (U2 – U1) + (Ec2 – Ec1) + (Ep2 – Ep1) DE = DU + DEc + DEp ►Como um valor arbitrário E1 pode ser atribuído à energia de um sistema em um determinado estado 1, nenhuma significância específica pode ser atribuída ao valor da energia no estado 1 ou em qualquer outro estado. Somente mudanças na energia de um sistema entre estados têm significado. Variação na Energia de um Sistema Variação na Energia de um Sistema Transferência de Energia por Trabalho ►A energia pode ser transferida de e para sistemas fechados por apenas dois meios: ►Trabalho ►Calor ►Os conceitos de trabalho estudado em mecânica são retidos no estudo da termodinâmica. No entanto, a termodinâmica lida com fenômenos não incluídos no escopo da mecânica, e isso requer uma interpretação mais ampla do trabalho. ►Quando uma mola é comprimida, a energia é transferida para a mola pelo trabalho. ►Quando um gás em um recipiente fechado é agitado, a energia é transferida para o gás pelo trabalho. ►Quando uma bateria é carregada eletricamente, a energia é transferida para o conteúdo da bateria pelo trabalho. Exemplos de Trabalho ►Os dois primeiros exemplos de trabalho são abrangidos pela mecânica. O terceiro exemplo é um exemplo da interpretação mais ampla do trabalho encontrado na termodinâmica. ►O símbolo W indica uma quantidade de energia transferida através das fronteiras de um sistema pelo trabalho. ►Como a termodinâmica da engenharia costuma se preocupar com motores de combustão interna, turbinas e geradores elétricos cujo objetivo é fazer o trabalho, é conveniente considerar o trabalho realizado por um sistema como positivo. ►W > 0: trabalho realizado pelo sistema nas vizinhanças ►W 0: calor transferido das vizinhanças para o sistema ►Qsempre uma combinação (U + PV). Assim considerou-se conveniente definir uma nova propriedade termodinâmica chamada “ENTALPIA”, representada pela letra H, Outras Formas de Energia H = U + P V ►Entropia (S) Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substância ou, segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da substância. Matematicamente a definição de entropia é: Outras Formas de Energia Re v δQ S T Equação de estado de uma substância pura é uma relação matemática que correlaciona pressão temperatura e volume específico para um sistema em equilíbrio termodinâmico. De uma maneira geral podemos expressar de forma genérica essa relação na forma: Equação de Estado f (P,V,T) 0 REFERÊNCIAS • SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C., ABBOTT, M.M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química . 7a Ed., LTC, 2007. • SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.; VAN WYLEN, J. Fundamentos da Termodinâmica. LTC, 7a Ed., 2009. • KORETSKY, M. D. Termodinâmica para Engenharia Química. Ed. LTC 2007.sempre uma combinação (U + PV). Assim considerou-se conveniente definir uma nova propriedade termodinâmica chamada “ENTALPIA”, representada pela letra H, Outras Formas de Energia H = U + P V ►Entropia (S) Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substância ou, segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da substância. Matematicamente a definição de entropia é: Outras Formas de Energia Re v δQ S T Equação de estado de uma substância pura é uma relação matemática que correlaciona pressão temperatura e volume específico para um sistema em equilíbrio termodinâmico. De uma maneira geral podemos expressar de forma genérica essa relação na forma: Equação de Estado f (P,V,T) 0 REFERÊNCIAS • SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C., ABBOTT, M.M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química . 7a Ed., LTC, 2007. • SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.; VAN WYLEN, J. Fundamentos da Termodinâmica. LTC, 7a Ed., 2009. • KORETSKY, M. D. Termodinâmica para Engenharia Química. Ed. LTC 2007.