1. Introdução e Conceitos Básicos I

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Introdução e Conceitos Básicos I
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Termodinâmica e Energia
A termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia.
Energia pode ser definida como a capacidade de causar alterações.
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Termodinâmica e Energia
A termodinâmica lida com os aspectos da energia e as transformações de energia:
Geração de energia elétrica;
Refrigeração;
Motores térmicos;
Etc.
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Termodinâmica e Energia
Princípio da conservação da energia
“Durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total permanece constante”.
A energia não pode ser criada ou destruída.
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Termodinâmica e Energia
Princípio da conservação da energia
A alteração no conteúdo de energia de um corpo ou de um sistema é igual à diferença entre a entrada de energia e a saída de energia.
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Termodinâmica e Energia
A primeira lei da termodinâmica é apenas uma expressão do princípio de conservação da energia.
Ela também afirma que a energia é uma propriedade termodinâmica.
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Termodinâmica e Energia
A segunda lei da termodinâmica diz que a energia tem qualidade, assim como quantidade.
Ela também diz que os processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade da energia.
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Termodinâmica e Energia
A termodinâmica só surgiu como ciência após a construção dos primeiros motores a vapor na Inglaterra.
Thomas Savery (1697)
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Termodinâmica e Energia
A termodinâmica só surgiu como ciência após a construção dos primeiros motores a vapor na Inglaterra.
Thomas Newcomen (1712)
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Termodinâmica e Energia
A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência dos trabalhos de:
William Rankine
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Termodinâmica e Energia
A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência de trabalhos de:
Rudolph Clausius
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Termodinâmica e Energia
A primeira e a segunda lei da termodinâmica surgiram simultaneamente na década de 1850, principalmente em decorrência de trabalhos de:
William Tompson (Lord Kelvin)
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Termodinâmica e Energia
Uma substância consiste em um grande número de partículas chamadas moléculas.
As propriedades da substância naturalmente dependem do comportamento dessas partículas.
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Termodinâmica e Energia
A pressão de um gás em um recipiente é o resultado da transferência de quantidade de movimento entre as moléculas e as paredes do recipiente.
Entretanto, não é preciso saber o comportamento das partículas de gás para determinar a pressão no recipiente.
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Termodinâmica e Energia
Essa abordagem macroscópica do estudo da termodinâmica, que não exige conhecimento do comportamento das partículas individuais é chamada de termodinâmica clássica.
Modo direto e fácil para a solução dos problemas de engenharia.
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Termodinâmica e Energia
Uma abordagem mais elaborada, com base no comportamento médio de grandes grupos de partículas individuais é chamada de termodinâmica estatística.
Abordagem bastante sofisticada e normalmente utilizada apenas como suporte.
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Termodinâmica e Energia
Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Todas as atividades da natureza envolvem alguma interação entre energia e matéria.
É difícil imaginar uma área que não se relacione à termodinâmica de alguma maneira.
A termodinâmica é encontrada normalmente em muitos sistemas de engenharia e em outros aspectos da vida.
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
O coração está constantemente bombeando sangue para todas as partes do corpo humano, diversas conversões de energia ocorrem em trilhões de células do corpo e o calor gerado no corpo é constantemente rejeitado para o ambiente.
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
O conforto humano está intimamente ligado a essa taxa de rejeição do calor metabólico.
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
O conforto humano está intimamente ligado a essa taxa de rejeição do calor metabólico.
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica.
Sistemas de condicionamento de ar
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica.
Refrigeradores e freezers
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica.
Panelas de pressão
Resfriadores de água
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Muitos utensílios domésticos comuns foram criados, total ou parcialmente, baseando-se em princípios da termodinâmica.
Chuveiros elétricos
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em:
Projeto das usinas de geração de potência
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em:
Coletores solares
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em:
Centrais heliotérmicas
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em:
Motores de automóveis
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Em uma escala maior, a termodinâmica tem um papel importante em:
Motores de aviões
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Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Sistema e Volume de Controle
Sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região no espaço selecionada para estudo.
A massa ou região fora do sistema é chamada de vizinhança.
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Sistema e Volume de Controle
A superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança é chamada de fronteira.
A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel.
Os sistemas podem ser considerados fechados ou abertos, dependendo da seleção de uma massa fixa ou de um volume fixo para o estudo.
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Sistema e Volume de Controle
Um sistema fechado (também conhecido como massa de controle) consiste em uma quantidade fixa de massa.
Neste, nenhuma massa pode atravessar a fronteira, seja entrando ou saindo.
Entretanto, a energia na forma de calor ou trabalho pode cruzar a fronteira.
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Sistema e Volume de Controle
Considera-se o arranjo pistão-cilindro abaixo:
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Sistema e Volume de Controle
Deseja-se descobrir o que acontece ao gás que está confinado quando é aquecido.
Como o foco é o gás, ele é o sistema
As superfícies internas do pistão e do cilindro formam a fronteira
Como nenhuma massa está cruzando a fronteira, trata-se de um sistema fechado
A energia pode atravessar a fronteira e parte dessa fronteira pode se mover
Tudo o que estiver fora do gás, incluindo o pistão e o cilindro, é a vizinhança
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Sistema e Volume de Controle
Um sistema aberto (também conhecido como volume de controle) é uma região cuidadosamente selecionada no espaço.
Em geral, ele inclui um dispositivo que envolve fluxo de massa, como um compressor, uma turbina ou um bocal.
O escoamento através desses dispositivos pode ser melhor estudado selecionando-se a região dentro do dispositivo como o volume de controle.
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Sistema e Volume de Controle
Um grande número de problemas de engenharia envolve fluxos de massa para dentro e para fora de um sistema e, portanto, são modelados como volumes de controle.
Exemplos:
Aquecedor de água;
Radiador de automóvel;
Turbina e compressor.
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Sistema e Volume de Controle
Toda região arbitrária no espaço pode ser selecionada como um volume de controle.
Uma escolha adequada do volume de controle simplifica a análise.
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Sistema e Volume de Controle
As fronteiras de um volume de controle são chamadas de superfície de controle, e podem ser reais ou imaginárias.
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Sistema e Volume de Controle
Um volume de controle pode ter tamanho e forma fixos, como no caso de um bocal,
ou pode envolver uma fronteira móvel.
A maioria dos volumes de controle, porém, tem fronteiras fixas e, assim, não envolve nenhuma fronteira móvel.
Em um volume de controle também pode haver interações de calor e trabalho, como em um sistema fechado, além de interação de massa.
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Sistema e Volume de Controle
Como exemplo de um sistema aberto, considera-se o aquecedor de água mostrado ao lado.
Deseja-se determinar quanto calor deve ser transferido para a água do tanque a fim de obter uma corrente constante de água quente.
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Sistema e Volume de Controle
Como a água quente sairá do tanque e será substituída pela água fria, não é conveniente escolher uma massa fixa como o sistema para a análise.
Ao invés disso, pode-se focar a atenção para o volume formado pelas superfícies interiores do tanque e considerar as correntes de água quente e fria como massa que sai e entra do volume de controle.
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Sistema e Volume de Controle
Em uma análise de engenharia, o sistema em estudo deve ser definido com cuidado.
Na maioria dos casos, os sistemas investigados são bastante simples e óbvios e a definição do sistema pode parecer uma tarefa simples.
Em outros casos, porém, o sistema em estudo pode ser muito complexo, e uma escolha adequada do sistema pode simplificar bastante a análise.
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Sistema e Volume de Controle
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Sistema e Volume de Controle
Propriedades de um Sistema
Qualquer característica de um sistema é chamada de propriedade.
Algumas propriedades termodinâmicas conhecidas são:
Pressão (P);
Temperatura (T);
Volume (V);
Massa (m).
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Propriedades de um Sistema
As propriedades podem ser classificadas em intensivas e extensivas.
As propriedades intensivas são independentes da massa de um sistema.
Temperatura;
Pressão;
Densidade.
As propriedades extensivas são valores que dependem da extensão do sistema.
Massa;
Volume;
Quantidade de movimento.
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Propriedades de um Sistema
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Propriedades de um Sistema
As propriedades extensivas quando representadas por unidade de massa são chamadas de propriedades específicas.
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Propriedades de um Sistema
A matéria é formada por átomos que se encontram amplamente espaçados na fase gasosa.
Entretanto, é bastante conveniente ignorar a natureza atômica de uma substância e vê-la como uma matéria contínua, homogênea e sem continuidades.
Ou seja: um meio contínuo.
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Propriedades de um Sistema
A idealização do contínuo permite tratar as propriedades como funções pontuais e considerar que as propriedades variam continuamente no espaço sem saltos de descontinuidade.
Essa idealização é válida desde que tamanho do sistema considerado seja grande com relação ao espaçamento entre as moléculas.
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Propriedades de um Sistema
Esse é o caso de praticamente todos os problemas, com exceção de alguns mais específicos. 
A idealização do contínuo está implícita em muitas de nossas afirmações, como “a densidade da água em um copo é a mesma em qualquer ponto”.
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Propriedades de um Sistema
O modelo do contínuo se aplica apenas enquanto o comprimento característico do sistema for muito maior do que o percurso livre médio das moléculas. 
Em vácuos muito altos ou altitudes muito grandes, o percurso livre médio pode se tornar grande (por exemplo, ele é de cerca de 0,1 m para o ar atmosférico a uma altitude de 100 km).
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Propriedades de um Sistema
Nesses casos, a teoria do escoamento de gás rarefeito deve ser utilizada, e o impacto de moléculas individuais deve ser considerado. 
No escopo desta disciplina, o foco é limitado à substâncias que podem ser modeladas como um contínuo.
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Propriedades de um Sistema
Densidade e Densidade Relativa
A densidade ρ é definida como massa por unidade de volume.
O inverso da densidade é o volume específico v, definido como volume por unidade de massa.
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Densidade e Densidade Relativa
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Densidade e Densidade Relativa
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Em geral, a densidade de uma substância depende da temperatura e da pressão.
A densidade da maioria dos gases é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura.
Os líquidos e sólidos, por outro lado, são substâncias essencialmente incompressíveis, e a variação de suas densidades com a pressão é geralmente desprezível.
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Densidade e Densidade Relativa
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Comportamento anômalo da água
https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua
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Densidade e Densidade Relativa
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Comportamento anômalo da água
https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua
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Densidade e Densidade Relativa
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A 20°C a densidade da água varia de 998 kg/m³ a 1 atm a 1003 kg/m³ a 100 atm (0,5%).
A 1 atm a densidade da água varia de 998 kg/m³ a 20°C a 975 kg/m³ a 75°C (2,3%).
As densidades de líquidos e sólidos dependem muito mais da temperatura do que da pressão.
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Densidade e Densidade Relativa
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Às vezes a densidade de uma substância é dada de forma relativa à densidade de uma substância padrão.
Neste caso, ela passa a ser chamada de densidade relativa (ρr) ou gravidade específica (SG) .
A substância padrão normalmente é a água a 4°C, para qual ρ =1000 kg/m³.
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Densidade e Densidade Relativa
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A densidade relativa do mercúrio a 0°C, por exemplo, é de 13,6.
Assim, sua densidade a 0°C é de 13,6 x 1000 = 13.600 kg/m³.
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Densidade e Densidade Relativa
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Densidade e Densidade Relativa
As densidades dos líquidos são praticamente constantes, portanto eles são considerados substâncias incompressíveis durante a maioria dos processos sem grandes prejuízos.
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Densidade e Densidade Relativa
O peso específico, γ, de uma substância é outra propriedade útil. 
Ele é definido como o peso de uma substância por unidade de volume e dado como:
Densidade e Densidade Relativa
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