Act 7 . o gas ideal e as tabelas para seu trabalho em termodinâmica, EST

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Escola Superior de Tecnologia – EST
Universidade do Estado do Amazonas
O gás ideal e as tabelas para seu trabalho em termodinâmica
Coordenação/curso: Tecnologia em Manutenção Mecânica.
Professor: Dr.C. Leonardo Aguiar Trujillo
Escola Superior de Tecnologia – EST
Plano de Ensino
Tabelas das propriedades termodinâmicas dos gases ideais. Processos termodinâmicos do gás ideal. Processo politrópico de um gás.
Objetivo: 
Aplicar os conceptos de Gás ideal no trabalho da termodinâmica.
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.
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.
Caso particular: o trabalho do processo não adiabático.
Num processo não-adiabático, o trabalho realizado sobre um sistema entre os estados inicial (i) e final (f) é diferente do trabalho adiabático realizado entre os mesmos estados (i) e (f). A soma entre ambos é o calor trocado durante o processo: 
Formulação matemática da Primeira Lei da Termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica para V.C.
Conservação da energia (absoluta)
Conservação da massa
Particularidades dos Gases: 
Gases: Uma sustância se considera gás quando as forças Inter atômicas (ou intermoleculares) entre os distintos átomos (ou moléculas) que a formam são muito pequenas que a sustância não adopta, nem forma, nem volume fixo, tendendo a expandir-se todo o possível para ocupar o recipiente que o contém. 
Caso particular dos Gases: 
Gás Ideal (perfeito):
É aquele onde a energia de interação entre as moléculas é desprezível (Colisões sim perda de energia) e caracterizado por um movimento “caótico” das moléculas.
 Uma boa aproximação para esta situação é atingida fazendo com que a separação média entre as moléculas seja tão grande que se possa negligenciar a interação entre elas o seja sua força de repulsão e atração.
Na prática, obtém-se este efeito a pressões muito baixas, onde o número de moléculas por unidade de volume é suficientemente pequeno.
A temperatura es proporcional na energia cinética.
Ele não sofre condensação.
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Isotérmicas:
Lei de Boyle - Mariotte: a pressão exercida por um gás ideal é inversamente proporcional ao seu volume, sempre que tenha-se uma quantidade fixa de gás, numa temperatura fixa. 
p * V = constante
p1* V1 = p2 * V2
T3 > T2 >T1
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Princípio de Avogadro: Este princípio diz que volumes iguais de gases a uma mesma temperatura e pressão contém o mesmo número de partículas. Fazendo a temperatura e pressão constantes na Lei dos Gases Ideais:
p0 * V = n*R*T0 
V = cte. × n 
ou “V” diretamente proporcional ao “n” (p, T constantes)
Onde:
n – número de moles
R – constante universal dos gases (R = 8, 31 J/mol K)
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Transformações gasosas e Leis das mesmas: 
Equação de estado dos gases Ideais
Onde:
p – pressão absoluta (Pa) 
T – temperatura (K)
m – massa do gás (kg)
MM – massa molecular do gás (kg/mol)
n – número de mols
R – constante universal dos gases 
Ir a vídeo Lei dos gases ideais
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O postulado de estado: 
Expõe que a menor quantidade de propriedades independentes (propriedades de estado intensivas) que definem um estado de equilibro num sistema é igual na quantidade de formas diferentes em que o sistema pude intercambiar energia com o meio ambiente más uno.
Exemplo:
Temos um cilindro com um pistão efetuando um trabalho (MCI) e não está isolado, ele pode intercambiar energia com o meio efetuando um trabalho e através da transferência de calor (Q), então o numero mínimo de propriedades para definir o estado são 2 + 1 = 3.
Sem o mesmo cilindro está isolado só pode intercambiar energia com o meio através do trabalho, então o numero mínimo de propriedades para definir o estado são 1 + 1 = 2. 
Os diagramas termodinâmicos para representar os estado: 
São a representação gráfica das propriedades intensivas para definir um estado.
As propriedades mais utilizadas para a representação de um estado são p, T, V (por sua facilidade de obter na pratica). Em termodinâmica é mais utilizado seu volume específico ().
Pode-se representar em 3 eixos (espaço) ou 2 eixos (plano), a mais utilizada é no plano.
Os diagramas também são representados em tabelas termodinâmicas das sustâncias.
Os diagramas termodinâmicos para representar os estado: 
Representação em 3 eixos (espaço).
Os diagramas termodinâmicos para representar os estado: 
Representação em 2 eixos (plano).
Curva de Vaporização ou condensação
Curva de Sublimação
Região da Fase Sólida
Região da Fase Líquida
Curva de Fusão ou solidificação
Ponto Crítico
Região de vapor superaquecido
Ponto Triplo
Conceitos fundamentais: 
Sustância Pura: significa que a composição química é uniforme e invariável (no entanto pode estar presente mais que um tipo de moléculas). 
Geralmente todas as sustâncias com que vamos trabalhar são substâncias puras (só utilizaremos a palavra sustância). 
Um sistema simples significa um sistema cheio de uma substância pura (Um sistema simples, um sistema puro) e para o qual apenas um modo de realizar trabalho se aplica.
Conceitos fundamentais: 
Exemplos de algumas Sustâncias Puras:
Água (fases - sólida, líquida, e vapor).
Mistura de água líquida e vapor de água.
Dióxido de Carbono (CO2).
Nitrogênio (N2).
Misturas homogêneas de gases, como o AR, desde que não ocorra mudança de fases.
Conceitos fundamentais: 
Propriedades intrínsecas: São características do comportamento molecular da massa do sistema. Há uma dependência direta entre elas. 
Por exemplo: A temperatura da água em ebulição é função da pressão de saturação: T = f(p).
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
Conceitos fundamentais: 
Estados da matéria:
Fase Sólida: as moléculas estão arranjadas em um padrão tridimensional (3D). Elevada atração entre elas.
Fase Líquida: grupos de moléculas flutuam uns sobre os outros, mas mantem uma estrutura ordenada e uma posição relativa dentro de cada grupo. 
Fase Gasosa: movimento aleatório das moléculas e alto nível de energia. Muito pouca atração entre elas.
Sublimação
(sólido em
gás ou gás
em sólido)
Gás
Evaporação
(líquido em gás)
Condensação
(gás em líquido)
Líquido
Sólido
Solidificação ou Congelamento
(líquido em sólido)
Fusão (sólido
em líquido)
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Líquido resfriado ou comprimido.
Líquido
saturado
Mistura saturada de líquido e vapor
Vapor Saturado
Vapor Superaquecido
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Líquido resfriado ou comprimido: 
É a substância, que estando na fase líquida, não está no ponto de evaporar.
A pressão está acima da pressão de saturação para a temperatura dada.
Para localizar-se um ponto na linha de líquido resfriado é necessário ter duas propriedades.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Líquido saturado
O líquido está prestes a evaporar
A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada.
Ele pode absorver calor e não muda de fase.
Para localizar-se um ponto na linha de líquido saturado só é necessário ter uma propriedade.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Mistura saturada de líquido e vapor
As duas fases coexistem nas mesmas pressão e temperatura de saturação o seja a pressão e a temperatura são propriedades dependentes. 
Aparece a propriedade TÍTULO (X): ela representa a quantidade de vapor que existe na mistura.
Para o líquido saturado X = 0.
Para o vapor saturado X = 1
Para a zona de mistura X + Umidade = 1 (X + W =1)
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Mistura saturada de líquido e vapor
Para localizar-se um ponto na zona de mistura é necessário ter duas propriedades.
TÍTULO (X):
Onde: 
mv – massa do vapor na zona de mistura L – V (kg).
mL – massa do líquido na zona de mistura L –V (kg).
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido – Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Vapor Saturado
O vapor está prestes para condensar. 
A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada.
Para localizar-se um ponto na linha de vapor saturado só é necessário ter uma propriedade.
Na linha de saturação o vapor e o líquido saturado coexistem na mesma pressão e temperatura. O seja para uma temperatura de saturação só existe uma e solo uma pressão de saturação.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido – Vapor:
Aparecem novos conceitos nas sustâncias:
Vapor Superaquecido
O vapor não está prestes para condensar.
A temperatura é mais alta que a temperatura de saturação para a pressão dada.
Ele pode ceder calor e não muda de fase (é seu calor sensível).
Para localizar-se um ponto na zona de vapor superaquecido é necessário ter duas propriedades.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Temperatura de Saturação (Tsat): É a temperatura na qual ocorre a mudança de fase para uma pressão previamente estabelecida. 
Pressão de Saturação (Psat): É a pressão na qual ocorre a mudança de fase para uma temperatura previamente estabelecida.
“Tsat” e “Psat” são dependentes durante a mudança de fase
Ponto triplo: em ele coexistem as 3 fases sólido – líquido – vapor.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Calor Latente: é a quantidade de energia absorvida ou liberada durante a mudança de fase a p = cte.
Calor latente de fusão ou solidificação:
Solidificação/fusão = 333,7 kJ/kg para H2O a Psat = 1 atm.
Calor latente de vaporização ou condensação:
Ebulição/condensação = 2257,1 kJ/kg para H2O a Psat = 1 atm.
Calor sensível: é a quantidade de energia que pode absorver ou ceder uma sustância sem que ocorra a mudança de fase (p = cte), o seja a sustância pode absorver ou ceder calor e mantem seu estado.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Estado crítico: É o estado caracterizado pelo encontro da linha de líquido saturado com a linha de vapor saturado. É o estado limite, além do qual o processo de vaporização ou condensação não são distinguíveis. 
Estado supercrítico: É o estado caracterizado por pressões e/ou temperaturas acima das críticas. Neste estado a transição de fase de líquido para vapor não é discreta, a substância se expande gradual e uniformemente da fase líquida para a fase vapor.
Conceitos fundamentais: 
Processos com mudança de fase em líquido - Vapor:
Ponto crítico: É o ponto no qual as linhas de líquido saturado e vapor saturado se encontram.
Se T > Tc ou P > Pc não existe uma distinção clara entre as regiões de vapor superaquecido e líquido comprimido.
Um ponto para o qual T  Tc a transição líquido – vapor não é mais possível à pressão constante. 
Se T  Tc , a substância não pode ser liquefeita por maior que seja a pressão efetuada sobre ela. 
As substâncias nessas condições são muitas vezes referidas simplesmente como “fluidos” e não como líquido ou vapor.
Diagramas termodinâmicos “T – s”: 
Diagramas termodinâmicos “T – ”: 
Diagramas termodinâmicos “p – h”: 
Região de Liquido resfriado 
Região de Mistura
Liquido + vapor
Região de Vapor superaquecido 
Linha de Liquido saturado 
Ponto crítico
Linha de Vapor saturado 
Diagramas termodinâmicos “h – s” (Mollier): 
Tabelas termodinâmicas: 
Tabelas termodinâmicas: 
Diagrama termodinâmico
 “h – s” (Mollier) da água: 
Refrigerante R-12:
Refrigerante CO2:
Refrigerante R-22:
Refrigerante R-134a:
Refrigerante R-600:
Refrigerante R-717 (AMÔNIA):
Refrigerante R-404A:
Refrigerante R-407C:
Refrigerante R-410A: