3 .Primeiro princípio da termodinâmica.

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Escola Superior de Tecnologia – EST
Universidade do Estado do Amazonas
Primeiro principio ou primeira lei da termodinâmica
Coordenação/curso: Tecnologia em Manutenção Mecânica.
Professor: Dr.C. Leonardo Aguiar Trujillo
Escola Superior de Tecnologia – EST
Plano de Ensino
O primeiro principio ou lei da termodinâmica, aplicação. A entalpia. A máquina térmica. Rendimento térmico. A máquina frigorífica. A bomba de calor. Coeficiente de eficiência. Calor específico a pressão e volumem constante.
Objetivo: 
Definir as bases teóricas e matemáticas para a aplicação do Primeiro principio ou lei da termodinâmica em situações praticas.
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. “A energia não pode ser criada ou destruída”, Só se pode mudá-la de uma forma para outra, ou só acrescentá-la a um sistema retirando de outro lugar (da vizinhança)”. 
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.
Para o qual é necessário o conhecimento das definições e propriedades fundamentais da Termodinâmica:
Sistema (tipos), Fronteira, meio exterior, fase e estado, 
Propriedades (extensivas [Massa, Volume, número de moles, Energia interna (kJ), Entropia (kJ/K), Energia libre (kJ), Entalpia (kJ), etc.].
Propriedades intensivas [Pressão, Densidade, Temperatura, Peso específico, Volume especifico, Quantidade de movimento, Energia interna (kJ/kg). Entalpia (kJ/kg), Entropia (kJ/kgK), etc.]. 
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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.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
Calor (Q): é a forma de energia transferida entre dois sistemas ou sua vizinhança em virtude da diferencia de temperatura.
O calor é transferido por:
Condução.
Convecção.
Radiação.
Trabalho (W): é a transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distancia.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
O calor e trabalho são grandezas direcionais e adota-se o seguinte:
Se a transferência de Calor e o Trabalho é realizado por o sistema, eles são POSITIVOS (Qe, Ws). É chamado processo de expansão (SAÍ DO PROCESSO).
Se a transferência de calor e o trabalho são realizados sobre o sistema, eles são NEGATIVOS (Qs, We). É chamado processo de compressão (ENTRA AO PROCESSO).
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
O calor e trabalho são grandezas direcionais e adota-se o seguinte:
Tanto calor como trabalho são fenômenos de fronteira e são associados a um processo.
Sistemas possuem energia, mais não calor e trabalho, porem qualquer um deles ou, ambos, atravessam a fronteira do sistema, quando o sistema sofre uma mudança de estado.
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
O calor e trabalho são grandezas direcionais e adota-se o seguinte:
Regra do signo: 
Saída do sistema (Ws) e calor absorvido (entra no sistema “Qe”): signo (+).
Entrada do sistema (We) e calor Cedido (sae do sistema “Qs” ): signo (-).
Propriedades fundamentais da termodinâmica: 
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).
Para variar a energia interna (ΔU) de um sistema é necessário: 
Realizar um trabalho (W): realizado sobre o sistema (U > 0) ou pelo sistema (U < 0).
Gerar Calor (Q): que entra (ΔU > 0) ou que sai do sistema (ΔU < 0).
Q > 0  calor adicionado ao sistema (U aumenta)
Q < 0  calor retirado do sistema (U diminui)
W > 0  trabalho realizado pelo sistema (U diminui)
W < 0  trabalho realizado sobre o sistema (U aumenta)
Trabalho termodinâmico num sistema p, V, T:
Onde 
W – trabalho
Fe – Força externa
Pe – pressão externa
V - volume
Fe
+
 Compressão (dV < 0)  trabalho da força externa é positivo
 Expansão (dV > 0)  trabalho da força externa é negativo
Trabalho termodinâmico num sistema p, V, T:
Fe  força externa 
Fe
+
Processo quase-estático
Trabalho termodinâmico, num processo que leva o sistema do estado 1 ao estado 2:
A
Diagrama P-V ou de Clapeyron
Expansão 
Trabalho termodinâmico, num processo que leva o sistema do estado 2 ao estado 1:
A
Diagrama P-V ou de Clapeyron
Compressão 
Em geral: o trabalho é uma função do processo; não depende apenas dos estados 1 e 2 (sim de sua trajetória):
A1
A2
A1-A2
O trabalho adiabático sobre um sistema termodinâmico só depende dos estados inicial e final e não do processo realizado entre esses dois estados. 
Caso particular: o trabalho do processo adiabático depende apenas dos estados 1 e 2 (inicial e final).
Podemos, por isso, definir a função de estado energia interna tal que
Caso particular: o trabalho do processo não adiabático.
Num processo não-adiabático, o trabalho realizado sobre um sistema entre os estados inicial (1) e final (2) é diferente do trabalho adiabático realizado entre os mesmos estados (1) e (2). A soma entre ambos é o calor trocado durante o processo: 
Formulação matemática da Primeira Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
∆V1-2 = V2 –V1 = 0
Transformação de 1 → 2
Volume invariável (Isovolumétrica)
Processo isovolumétrico ou isocórico (Transformação a volume constante)
ΔU = Q1-2 – W1-2
U1-2 = Q1-2 
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
 Processo Isotérmico (Transformação a temperatura constante).
Êmbolo movimentado lentamente
1ª Lei da Termodinâmica
Q1-2 = W1-2
ΔU = 0 → ∆T1-2 = 0 (Equilibro térmico) 
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
ΔU = Q1-2 – W1-2
Movimento rápido do êmbolo.
ΔQ = 0
Primeira Lei da Termodinâmica
∆U1-2 = Q1-2 – W1-2
ΔQ1-2 = 0 → ∆U1-2 = - W1-2
O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior.
W (Área sob o gráfico) 
 Processo adiabático (Transformação sem troca de calor) 
 Quando sistema passa por uma expansão adiabática, sua temperatura diminui.
Quando sistema passa por uma compressão adiabática, sua temperatura aumenta.
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
 Processo isobárico (Transformação a pressão constante) 
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
Onde:
mº - fluxo ou vasão do fluído (kg/h)
 Processo Cíclicos (Estado
inicial é igual ao Estado Final)
Wciclo = WcadaProcesso = A12341
Wciclo > 0 → Qciclo  0
O sentido do ciclo no diagrama PV :  horário. 
O sistema recebe Q e entrega W 
1a Lei da Termodinâmica
∆Uciclo = Qciclo – Wciclo
Qciclo =  Wciclo
∆Uciclo = ∆U = 0
Qciclo = QcadaProcesso
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
A temperatura do gás no estado inicial e final tem que ser a mesma.
São processos súbitos em que não se conhece a pressão e volume nos estados intermediários.
 Expansão livre: São processos adiabáticos nos quais nenhum trabalho é realizado. 
Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica
1a Lei da Termodinâmica
Rendimento ou Eficiência (1era e 2da Lei da Termodinâmica:
Expressa o grau de aproveitamento da energia de um sistema termodinâmico.
Ciclo de Carnot:
O ciclo de Carnot é um ciclo ideal.
O ciclo de Carnot permite a análise termodinâmico de sistemas térmicos, em que os processos, são reversíveis.
Ocorre entre dois temperaturas constantes dos focos quente e frio.
Ocorre ademais entre duas transformações adiabáticas.
Princípio de Carnot: "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"
BC e DA são curvas adiabáticas
AB E CD são curvas isotérmicas
Ciclo reversível
A máquina ideal de Carnot
Em cada ciclo 
W1-2 = Q1 – Q2
Rendimento ou Eficiência térmico
∆U1-2 = 0
Rendimento ou Eficiência (1era e 2da Lei da Termodinâmica:
O limite máximo do rendimento térmico é o 100 % (ou a unidade “1”).
Na realidade todo rendimento térmico é menor que “100 %” ou “1”
Refrigerador
1 – 2: compressão adiabática em um compressor 
2 – 3: processo de rejeição de calor a pressão constante (Qcond) 
3 – 4: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 
4 – 1: absorção de calor a pressão constante, no evaporador (Qevap) 
O ciclo de compressão de vapor (Ciclo de Refrigeração)
O ciclo de compressão de vapor (Ciclo de Refrigeração):
Define-se o coeficiente de desempenho (performance) do ciclo como:
Ciclo de Carnot
Ciclo real
O COP sempre é maior que 100 % (a unidade “1”). O COP de Ciclo de Carnot é maior que o real.
A entalpia (H):
A entalpia (H):
Entalpia é uma função de estado em que este a sustância.
A variação da entalpia entre dois estados é independente do caminho seguido para ir do estado inicial ao estado final.
A variação da entalpia é igual ao calor fornecido ao sistema quando a pressão é mantida constante. Ou seja, dh = dq ou dH = dQ
Os processos envolvendo líquidos e sólidos são acompanhados de pequenas mudanças de volume. Assim, se a pressão for baixa, H ≈ U.
A entalpia (H):
A entalpia (H):
Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.
Conservação da massa
Conservação da energia
Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.
Taxa de variação da energia do V.C.
Taxas líquidas de calor e trabalho
Taxa de entrada de energia no V.C. associada à massa que entra
Taxa de saída de energia do V.C. associada à massa que sai
Conservação da energia
Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.
Conservação da energia (absoluta)
Conservação da massa
Regime permanente (não há variação de propriedades ao longo do tempo)
0
0
Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.
Conservação da energia (absoluta)
Conservação da massa
Exemplo: Compressor de ar
Regime permanente
Uma entrada
Uma saída
Observar que o fluxo em massa se conserva, mas em vazão não
Exemplo: Turbina a vapor
Superfície de controle
Bombeamento de água de um poço
em Regime Permanente
.
Superfície de controle
Água
Aquecedor de água em operação
Regime Permanente
Dreno
Tubo reentrante
Resistência Inferior
Resistência Superior
Termostato Inferior
Termostato Superior
Saída de 
água quente
Entrada água fria
Anodo
Válvula de 
segurança
Superfície de controle
V.C.
Aquecedor de água em operação
Regime Permanente
.
.
.
.
.
Saída 
água quente
1
2
Entrada
água fria
Resistência elétrica
Perda de calor
V.C.
Tanque de água quente