2 - Conceitos fundamentais na termodinâmica. Propriedades termodinâmicas.

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Escola Superior de Tecnologia – EST
Universidade do Estado do Amazonas
Conceptos fundamentais na termodinâmica. Propriedades termodinâmicas 
Coordenação/curso: Tecnologia em Manutenção Mecânica.
Professor: Dr.C. Leonardo Aguiar Trujillo
Escola Superior de Tecnologia – EST
Plano de Ensino
Conceptos fundamentais na termodinâmica. Propriedades termodinâmicas mais importantes. Calor. Equivalente do calor e trabalho.
Objetivo: 
Estabelecer a importância da termodinâmica na ciência, determinando as principais propriedades da mesma.
Que é a termodinâmica Aplicada?
A Termodinâmica é: a ciência que estuda as relações entre o calor e o trabalho, que ocorrem durante determinados fenômenos o seja relações de energia.
A Termodinâmica envolve aspectos da energia e suas transformações, geração de energia, refrigeração e ainda as propriedades da matéria
Leis da termodinâmica
Lei cero da termodinâmica: estabelece o equilibro térmico entre os corpos.
Primeira lei da termodinâmica: lei de conservação da massa e a energia.
Segunda lei da termodinâmica: estabelece a quantidade de energia que é absorvida no sistema e os processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade da energia.
Terceira lei da termodinâmica: Mediante uma serie finita de processos, a entropia de um sistema não se pode reduzir-se a sua entropia no ponto zero absoluto.
Por quanto a Termodinâmica é:
Básica em para muitas das disciplinas das engenharias:
Mecânica, Elétrica, Civil, Química, Metalúrgica, Agrícola, Oceânica, Hidráulica, Ambiental, Aeroespacial, Petróleo, Nuclear, etc.
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Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Sistema termodinâmico: Um sistema é uma região do espaço ou uma quantidade de matéria que queremos estudar.
Fronteira: contorno que delimita o sistema. Ela pode ser fixa ou móvel, real ou imaginaria.
FRONTEIRA IMAGINARIA
FRONTEIRA REAL
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Os sistemas termodinâmicos podem ser:
SISTEMA FECHADO: É um sistema com uma quantidade fixa de massa.
SISTEMA ABERTO: É um sistema que apresenta fluxos de massa através de suas fronteiras.
Em ambos sistemas existe intercambio de energia.
SISTEMA ISOLADO: É um sistema fechado onde nem energia nem massa cruzam a fronteira.
Pistão
Peso
Gas
Sistema Fechado
Fronteira 
do Sistema
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Sistema fechado
Sistema fechado – A MASSA não cruza a fronteira do sistema indicada pela linha tracejada.
A MASSA está indicada pela área cinza
A fronteira pode-se mover (o pistão pode ir para frente e para traz)
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Sistema Aberto – A fronteira geralmente não se move. (pode mover-se). 
Massa e energia cruzam a fronteira.
A área de interesse é apenas a região dentro da fronteira (linha tracejada).
Sistema Aberto 
Volume de controle: é a região que interessa analisar ou estudar no sistema aberto 
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Sistema Aberto 
Tubo
Superfície de controle
Exemplo de sistema aberto (Volume de Controle). 
Trata-se de uma determinada região do espaço que desejamos estudar. 
Vo
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Sistema Isolado
É um sistema fechado onde nem energia nem massa cruzam a fronteira.
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Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Meio exterior: tudo o que rodea externamente ao sistema, mais está fora da fronteira. Ele pode afetar o comportamento do sistema.
Fase do sistema: é um aspecto macroscopicamente homogêneo de um sistema, caracterizada completamente pelas suas propriedades e pelas suas variáveis de composição. Num certo sentido, o termo fase é sinônimo de estado físico da matéria.
Fases:
Solida.
Líquida.
Gasosa.
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Propriedades do sistema: é uma característica do sistema e que caracteriza sua fase. 
Propriedade EXTENSIVA é uma propriedade que pode ser somada e seu valor para o sistema todo é a soma dos valores de cada subdivisão do sistema. Depende do tamanho do sistema (Exemplo: Massa e Volume).
Propriedade INTENSIVA é independente do tamanho do sistema e a quantidade de sustância, não se pode somar. (Exemplo: Densidade, Temperatura).
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Diferentes Propriedades do sistema: 
Propriedades extensiva.
Massa, Volume, número de moles, Energia interna (kJ), Entropia (kJ/K), Energia libre (kJ), Entalpia (kJ), etc.
Propriedades intensiva).
Pressão, Densidade, Temperatura, Peso específico, Volume especifico, Quantidade de movimento, Energia interna (kJ/kg). Entalpia (kJ/kg), Entropia (kJ/kgK), etc.
Propriedade
m
V
T
P

m/2 m/2
V/2 V/2
T T
P P
 
Propriedades Extensivas
Propriedades Intensivas
Propriedades extensivas por unidade de massa são propriedades intensivas
Volume específico
Densidade
O ESTADO de um Sistema Compressível Simples: É completamente definido por duas propriedades intensivas, independentes. 
PROCESSO: É qualquer mudança de estado de um sistema. 
CICLO: É um processo no qual os estados inicial e final são idênticos. 
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Os processos ou transformações podem ser:
Isobáricos: processo a pressão constante.
Isocóricos: processo a volume constante.
Isotérmicos: processo a temperatura constante.
Adiabático: processo onde no existe troco de calor com o meio exterior
Cíclicos: processos que geram um ciclo.
Reversível: si o sistema volta a sua estado inicial, próximo ao equilíbrio termodinâmico.
Irreversível: quando o sistema não volta a sua estado inicial, são os processos reais.
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Equilíbrio Termodinâmico: Um sistema está em equilíbrio termodinâmico se ele mantem os equilíbrios: Térmico, Mecânico, de Fase e Químico. 
Equilíbrio térmico: é aquele sistema que possuem a mesma temperatura em todos seus pontos ou seja possui uma temperatura constante (LEI CERO DA TERMODINÂMICA).
Equilíbrio Mecânico: é aquele sistema onde todas suas forças estão equilibradas.
Equilíbrio Químico: é aquele sistema em que a proporção entre os reagentes e produtos de uma reação química se mantém constante ao longo do tempo.
Equilíbrio de fase: é aquele sistema que mantêm sua fase constante.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Massa (m): é uma grandeza física fundamental. Segundo a mecânica newtoniana, ela dá a medida da inércia ou da resistência de um corpo em ter seu movimento acelerado. Ela também é o origem da força gravitacional. É comumente associada ao peso.
Temperatura (T): é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico. É uma medida de seu nível térmico e o sentido onde flui o calor.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Volume (V): é a quantidade de espaço ocupada por esse corpo.
Comprimento (L): é a grandeza física que expressa a distância entre dois pontos.
Tempo (t): é uma componente do sistema de medições usado para sequenciar eventos, para comparar as durações dos eventos, os seus intervalos, e para quantificar o movimento de objetos.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Pressões
Pressões acima da atmosférica
Pressões abaixo da atmosférica (Vácuo parcial)
Pman
Patm
P=0
Pabsoluta
Pmanômétrica
Patm
P=0
Pabsoluta
Pvácuo
Pvácuo
Pabs = Pman + Patm
Pabs = Patm – Pvácuo 
PAtmosférica
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Onde: m – fluxo mássico
 c – capacidade calorífica ou calor específico
 T – temperatura
 h - entalpia
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
O calor e trabalho são grandezasdirecionais e adota-se o seguinte:
Se a transferência de calor e o trabalho é realizado por o sistema, eles são POSITIVOS (Qs, Ws).
Se a transferência de calor e o trabalho são realizados sob o sistema, eles são NEGATIVOS (Qe, We).
Tanto calor como trabalho são fenômenos de fronteira e são associados a um processo.
Sistemas possuem energia, mais não calor e trabalho.
+
+
-
-
Mas a quantidade de calor fornecida é uma função do processo
 capacidade térmica ou calor específico a pressão constante
 capacidade térmica ou calor específico a volume constante
 coeficiente adiabático
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Capacidade térmica ou calor específico (c): é a quantidade de calor que é necessário fornecer ao sistema (lentamente), para que a temperatura do sistema aumente de 1 Kelvin.
Unidades de medida das propriedades
Três sistemas são mais amplamente usados
O Sistema Internacional (SI) de Unidades
O Sistema Métrico Técnico (MKS) de Unidades
O Sistema Inglês “CGS” (English Engineering System) conhecido nos Estados Unidos como USCS (US Costumary System)
SI (Sistema Internacional)
O Sistema Internacional possui SETE dimensões primárias.
Massa -- quilograma (kg)
Comprimento -- metro (m)
Tempo -- segundo (s)
Temperatura -- kelvin (K)
Quantidade de sustância -- mol (mol)
Intensidade luminosa -- candela (cd)
Corrente elétrica -- ampere (A)
MKS
O Sistema Métrico Técnico possui OITO dimensões primárias.
Massa -- quilograma (kg)
Comprimento -- metro (m)
Tempo -- segundo (s)
Temperatura -- Kelvin (K)
Força -- quilograma-força (kgf)
Quantidade de sustância -- mol (mol)
Intensidade luminosa -- candela (cd)
Corrente elétrica -- ampere (A)
Inglês ou USCS
O Sistema Inglês ou USCS possui OITO dimensões primárias.
Massa - libra-massa (lbm)
Comprimento – feet (ft)
Tempo – second (s)
Temperatura – Rankine (R)
Força – libra-força (lbf)
Quantidade de sustância – mol (mol)
Intensidade luminosa – candela (cd)
Corrente elétrica -- ampere (A)
Unidades de medida da Temperatura
Temperatura Absoluta. 
A escala de temperatura absoluta no SI é o Kelvin (K).
Sua relação com a escala de temperatura relativa Celsius (ºC) é dada por:
A escala de temperatura absoluta no Sistema Inglês é o Rankine (R) e a relativa é Fahrenheit (ºF).
Sua relação com a escala Fahrenheit é dada por:
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Unidades de massa
Unidade
Símbolo
Equivalência
grama
g
1 g = 10-³ kg
quilograma
kg
1 kg = 1 kg
onça
oz
1 oz ≈ 0,028 kg
libra
lb
1lb≈ 0,454kg
tonelada
t
1 t = 1000 kg
Unidades de massa
Unidades de comprimento
Unidade
Símbolo
Equivalência
metro
m
1 m =1m
centímetro
cm
1 cm = 10-2m³
milímetro
mm
1 mm = 10-3m
quilómetro
km
1 km = 1000 m
polegada
in
1 in = 0,0254 m
pé
ft
1ft= 0,305 m(12 in)
jarda
jd
1jd= 0,914 m
milha
mi
1 mi = 1609,34 m
milha náutica
M
1 M = 1852m
Unidades de tempo
Unidade
Símbolo
Equivalência
Segundo
s
1 s
Minuto
min
1 min =60 s
Hora
h
1 h =3600 s
Unidades de pressão
Unidade
Símbolo
Equivalência
pascal
Pa(N/m2)
1 Pa =1Pa
libra-força por polegada quadrada
psi(lbf/in2)
1psi= 7,142 Pa
atmosfera
atm
1atm≈ 1,01 * 105Pa = 1,01 MPa
quilograma-força por centímetro quadrado
kgf/cm2
1 kgf/cm2≈ 98000 Pa = 0,98 MPa
bar
bar
1 bar = 105Pa = 1 MPa
milímetrode Hg
mmHg
1mm Hg = 133 Pa
Unidades de Pressão
Unidades de volume
Unidade
Símbolo
Equivalência
metro cúbico
m³
1 m³ =1 m³
Litro
l, L
1 L =dm³ = 10-3m³
barril(US)
US-bl
1 US-bl≈ 0,159 m³
galão(US)
US-gal
1 US-gal= 0,0038 m³
galão (UK)
B-gal
1B-gal= 0,00455 m³
Unidades de força
Unidade
Símbolo
Equivalência
newton
N
1 N =kg.m.s-2
dina(unidadeCGS)
dina
1 dina =10-5N
quilograma-força
kgf
1 kgf =9,80665 N
libra-força
lbf
1lbf=4,45 N
1lbf=0,45 kgf
1lbf= 4,45 x 10-3kN
Unidades de Energia
Unidade
Símbolo
Equivalência
joule
J
1 J =1N.m= 1 kg.m².s-2
erg (CGS)
erg
1erg=10-7J
eléctron-volt
eV
1 eV≈1,602 18 x 10-19J
caloriatermoquímica
calth
1calth=4,184 J
caloriainternacional
calIT
1calIT=4,1868 J
caloriaa 15oC
calIT
1calIT≈4,1855 J
British Termal Unit
BTU
1 BTU =1055,06 J
Outras grandezas
Grandeza
Unidade
Símbolo
Potencia
watt
W
Calor específico(capacidade calorífica)
Energia/massa-temperatura
J/kg.Kou J/kg.ºC
Entropiaespecífica
Energia/tempo-temperatura
J/s.Kou J/s.ºC
Trabalho
joule ou watt
J ou W
Fluxo ou vazão mássica
Massa/tempo
kg/s
Condutividade térmica (k)
Energia/temp.-temper.-compri.
J/s.m.Kou J/s.mºC
coeficiente de transferência de calor por convecção
Potencia/Área-Temperatura
W/m2ºC
Prefixos utilizados na ciência
10n
Prefixo
Símbolo
Desde
Equivalentenumérico
1024
Yotta
Y
1991
1 000 000 000 000 000 000 000 000
1021
Zetta
Z
1991
1 000 000 000 000 000 000 000
1018
Exa
E
1975
1 000 000 000 000 000 000
1015
Peta
P
1975
1 000 000 000 000 000
1012
Tera
T
1960
1 000 000 000 000
109
Giga
G
1960
1 000 000 000
106
Mega
M
1960
1 000 000
103
Quilo
k
1795
1 000
102
Hecto
h
1795
100
101
Deca
da
1795
10
100
Nenhum
Nenhum
1
Prefixos utilizados na ciência
10n
Prefixo
Símbolo
Desde
Equivalentenumérico
100
nenhum
nenhum
1
10−1
deci
d
1795
0,1
10−2
centi
c
1795
0,01
10−3
mili
m
1795
0,001
10−6
micro
µ (mu)
1960
0,000 001
10−9
nano
n
1960
0,000 000 001
10−12
pico
p
1960
0,000 000 000 001
10−15
femto
f
1964
0,000 000 000 000 001
10−18
atto
a
1964
0,000 000 000 000 000 001
10−21
zepto
z
1991
0,000 000 000 000 000 000 001
10−24
yocto
y
1991
0,000 000 000 000 000 000 000 001
O símbolo (º) não é utilizado com temperaturas absolutas kelvin (K) ou rankine (R) e sem em temperaturas relativas grau celsius (ºC) e grau fahrenheit (ºF).
Os nomes das unidades não são iniciados com letras maiúsculas, mesmo quando representam nomes próprios (por exemplo, 1000 watts (1000 W)).
As abreviações das unidades são empregadas com letras maiúsculas se provêm de nomes próprios (1200 Wh ou 1,2 kWh).
As abreviações nunca são escritas no plural (4 joules, 4 J ========= 4 quilojoules, 4 kJ).
A unidade de medida é separada do número com um espaço.
Notas sobre SI de unidades
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Energia Interna: Representa a energia molecular de um sistema e pode existir na forma sensível, latente, química e nuclear (Soma das energia microscópicas). 
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Onde:
m – massa (kg)
v – velocidade (m/s)
Para o correto entendimento da termodinâmica é necessário conhecer conceitos fundamentais: 
Onde:
m – massa (kg)
g – aceleração da gravidade (m/s2)
h – altura que ocupa o corpo (m).