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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO: ENGENHARIA MECÂNICA PERÍODO: 2013.2 DISCIPLINA: TERMODINÂMICA I CARGA HORÁRIA: 60h PROFESSOR: ADRIANO SITÔNIO RUMÃO. Termodinâmica i PLANO DE CURSO / INTRODUÇÃO / ConceitoS e Definições 1 Aplicações da Termodinâmica Turbinas 2 Planta de Potência Elétrica 3 Motor de Combustão Interna Planta de Potência Nuclear 5 Unidade de Refrigeração Por Compressão 1- Vapor a baixa pressão (superaquecido). 2- Vapor a alta pressão (superaquecido). 3- Líquido a alta pressão (Saturado) 4- Líquido Frio + Vapor (Mistura) a baixa pressão. 6 Conceitos e Definições 1- Objetivo: Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais usados no estudo da Termodinâmica. 7 2- Termodinâmica e Energia 3- Sistema Termodinâmico e Volume de Controle TERMODINÂMICA: É a ciência que trata das relações de calor e trabalho envolvidos nas propriedades das substâncias (Fluídos de Trabalho) em estudo. Um sistema é definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa e um volume de controle é especificado quando a análise envolve fluxos de massa. 8 Sistema Aberto (volume de controle) Fechado (massa de controle) Massa fixa tomada para estudo Região do espaço tomada para estudo (fluxos de massa atravessa a superfície) Fronteiras Fixas ou Móveis Fronteira Superfície de Controle Meio ou Vizinhança Sistema com Fronteira Fixa Delimitando o Objeto de Estudo 10 Sistema com Fronteira Fixa e Móvel Q W E Sistema Isolado Q e W não cruzam sua fronteira 11 Sistema Isolado Q e W não cruzam sua fronteira Sistema Aberto ou Volume de Controle Sistema Termodinâmico e Volume de Controle Num sistema termodinâmico ocorre transferência de energia, enquanto que no volume de controle a energia é transportada através do fluxo de massa. 14 4- Pontos de vista Macroscópico e Microscópico Uma investigação sobre o comportamento de um sistema pode ser feita sob os pontos de vista macroscópico ou microscópico. Para descrever de modo completo o comportamento desse sistema, sob o ponto de vista microscópico, seria necessário lidar com uma quantidade imensa de equações. 15 4- Pontos de vista Macroscópico e Microscópico Outra forma de modelar o problema é utilizar a termodinâmica clássica macroscópica. Conforme o próprio nome macroscópico sugere, nos preocupamos apenas com os efeitos totais ou médios de muitas moléculas. Além disso, esses efeitos podem ser percebidos por nossos sentidos e medidos por instrumentos, tais como Pressão, Temperatura, Volume, massa, volume específico, que denominamos Propriedades Termodinâmicas. 16 4- Pontos de vista Macroscópico e Microscópico Exemplo de estudo microscópico de um sistema: Suponha um volume de gás em um recipiente retangular, microscopicamente se teria vários milhões de átomos que deveria ser tratado de forma tridimensional (posição, velocidade) isoladamente, originando uma quantidade imensa de equações. 17 Termodinâmica Clássica Ponto de vista macroscópico Estatística Ponto de vista microscópico Supõe o meio contínuo Não supõe o meio contínuo 18 5- Estado e Propriedades de uma Substância Em cada fase (sólida, líquida e vapor) a substância pode existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinâmica, em vários estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis, como por exemplo, temperatura, pressão e massa específica. 19 5- Estado e Propriedades de uma Substância Uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e é independente do caminho pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Do mesmo modo, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas (que independe da massa) e as extensivas (varia diretamente com a massa). 20 Propriedades a) Intensivas b) Extensivas Propriedade intensiva 5- Estado e Propriedades de uma Substância 21 5- Estado e Propriedades de uma Substância A termodinâmica clássica ocupa-se, fundamentalmente, do estudo de estados de equilíbrio. Num dado estado de equilíbrio todas as propriedades têm valores fixos. Basta que apenas o valor de uma propriedade do sistema se altere para o sistema mudar de estado. 22 Equilíbrio termodinâmico Equilíbrio térmico Equilíbrio mecânico Equilíbrio de fases Equilíbrio químico 5- Estado e Propriedades de uma Substância Há vários tipos de equilíbrio e o sistema só estará em equilíbrio termodinâmico se todas as condições dos diferentes tipos de equilíbrio forem satisfeitas. Equilíbrio (Térmico/Mecânico/Fases/Químico) 5- Estado e Propriedades de uma Substância Processo: caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre. Processo Propriedade mantida constante isobárico pressão isotérmico temperatura isocórico volume isentrópico entropia Caminho ou percurso: série de estados que o sistema passa durante um processo. 6- Processos e Ciclos 25 Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por certo número de mudanças de estado ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executa um CICLO. Dessa forma, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam os mesmos valores iniciais. 6- Processos e Ciclos Estados: 1(x1 , y1) , 2(x2 , y2) Processo: 1-> A -> 2 Ciclo: 1-> A -> 2 ->B -> 1 26 6- Processos e Ciclos Processo quase-estático ou de quase equilíbrio: 6- Processos e Ciclos É aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio. 28 Distinção entre um Ciclo Termodinâmico e um Ciclo Mecânico: 6- Processos e Ciclos Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. Entretanto, o fluido de trabalho não percorre um ciclo termodinâmico no motor, uma vez que o ar e o combustível reagem e, transformados em produtos de combustão, são descarregados na atmosfera. 29 Dimensões e Unidades: Dimensões: Grandezas como massa, tempo, comprimento, Força, temperatura, etc. Unidades: São nomes associados às dimensões que dão idéia de sua magnitude. Ex.: metro, quilograma, segundos, etc. 7- Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Força Só vamos lidar com quantidades que podem ser medidas e contadas direta ou indiretamente uma vez que estamos considerando as propriedades termodinâmicas sob o ponto de vista macroscópico. 30 Dimensões fundamentais e unidades do SI Dimensão Unidade Comprimento metro (m) Massa kilograma (kg) Tempo segundo (s) Temperatura Kelvin (K) Corrente Elétrica Ampère (A) Quantidade de Luz Candela (C) Quantidade de matéria kmole(mol) 7- Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Força 31 7- Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Força Diferença entre peso e massa O termo "peso" é freqüentemente associado a um corpo, e é, às vezes, confundido com massa. A palavra peso é usada corretamente apenas quando está associada a força. A unidade de força no SI é o newton (N). Energia: É a capacidade de produzir um efeito A termodinâmica estabelece que a energia é uma propriedade que se Conserva. 8- Energia Um dos conceitos muito importantes na termodinâmica é o de energia. E importante notar que energia pode ser acumulada num sistema e que também pode ser transferida de um sistema para outro (por exemplo, na forma de calor). 33 8- Energia A Figura ao lado mostra um vaso que contém água e que está sendo "aquecido“, ocorrendo uma transferência de calor para a água. Do ponto de vista macroscópico, estamos preocupados somente com a quantidade de calor que está sendo transferida e com a mudança das propriedades (por exemplo: temperatura, pressão e a quantidade de energia que a água contém em relação a algum referencial) detectadas a cada instante. NÃO nos preocuparemos com questões microscópicas. O volume específico de uma substância é definido como o volume ocupado pela unidade de massa e é designado pelo símbolo v. A massa específica é definida como a massa associada a unidade de volume. Desse modo a massa específica é o inverso do volume específico, e é designada pelo símbolo ρ. 9- Volume específico e Massa específica 9- Volume específico e Massa específica Consideremos um pequeno volume δV de um sistema e designemos a massa contida neste por δm. O volume específico é definido pela relação: δV´ é o menor volume no qual o sistema pode ser considerado como um meio contínuo. 10- Pressão O valor da pressão P do gás no interior do pistão móvel é fixado pelo módulo da força externa que atua no pistão, porque é necessário existir o equilíbrio de forças para que o pistão permaneça estacionário. Assim o produto da pressão no gás pela área do pistão móvel precisa ser igual a força externa. A unidade de pressão no Sistema Internacional é o pascal (Pa) e corresponde à força de 1 newton agindo numa área de 1 metro quadrado. A pressão num ponto de um fluido em repouso é igual em todas as direções e definimos a pressão como a componente normal da força por unidade de área. 10- Pressão A pressão absoluta é utilizada na maioria das análises termodinâmicas. Entretanto, em sua maioria, os manômetros de pressão e de vácuo indicam a diferença entre pressão absoluta e pressão atmosférica, chamada de pressão manométrica ou efetiva. 1 atm = 101,325 kPa Alguns instrumentos para medição de pressão 10- Pressão 10- Pressão 11- Igualdade de Temperatura Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, é difícil encontrar uma definição exata para ela. Por esta razão definimos igualdade de temperatura. Podemos dizer, portanto, que dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações em qualquer propriedade mensurável quando colocados em contato térmico. 12- Lei Zero da Termodinâmica A B C A lei zero da termodinâmica diz que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. Assim, sendo este fato não deduzível de outras leis e uma vez que na apresentação da termodinâmica ela precede a primeira e a segunda lei, recebe a denominação de "lei zero da termodinâmica". 13- Escalas de Temperaturas FIM 03/10/2013 P r o p r i e d a d e Y P r o p r i e d a d e X (x1,y1) (x2,y2) A B
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