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23/08/2013 1 Centro Universitário Jorge Amado - UNIJORGE Disciplina: Termodinâmica I Termodinâmica I 2013 Docente: Luis Filipe Freitas Importante: estas notas destinam-se exclusivamente a servir como guia de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com finalidade didática. Introdução • THERME � calor • DYNAMIS � potência, força. Termodinâmica??? Termodinâmica trata do estudo da energia, calor e trabalho e sobre as propriedades da matéria. O estudo da Termodinâmica começou no século XIX, quando se descobriu que era possível realizar trabalho a partir do calor. Exemplos: • Central termoelétrica; • Refrigeradores; • Turbina a gás; • Motores.... 1) Caldeira / Geração de vapor 2) Turbina / Trabalho 3) Trocador de calor / Condensação 4) Torre de resfriamento 5) Bomba 6) Economizador 7) Vapor saturado 8) Superaquecedor 9) Pré-aquecedor do ar 10) Combustão (óleo combustível, gás natural) Central termoelétrica Sistemas Termodinâmicos � Sistema: tudo aquilo que desejamos estudar; � Meio ou Vizinhança: tudo aquilo externo ao sistema; � Fronteira: região que separa o sistema do meio; � Fronteira é uma superfície matemática de espessura zero, portanto não contém matéria, nem possui volume. �A fronteira é responsável pelas interações entre o sistema e o meio. Interações estas que são muito importantes na Termodinâmica. Fronteira Sistema Meio Tipos de Sistemas •Um sistema pode ser considerado como uma porção limitada do Univ erso onde ocorre a interação de vários elementos. Os sistemas encontrados na Natureza, são: �Aberto: onde se verificam trocas de energia e de matéria com o mei o externo; �Fechado: onde ocorrem apenas transferências de energia; �Isolado: em que não há transferência de energia nem de matéria. Tipos de Sistemas Volume de controle: é um volume arbitrário no espaço através do qual o fluido escoa. O contorno geométrico do volume de controle é chamado de superfície de controle. Massa, calor e trabalho podem ser transportados através da superfície de controle. 23/08/2013 2 Propriedade e estado de uma substância Estado: E a condição em que se encontra o sistema. O estado e descrito através dos valores das propriedades (temperatura, pressão e massa específica, por exemplo). Uma vez que existem relações funcionais entre as propriedades, o estado pode ser especificado fornecendo-se os valores de apenas algumas delas. As outras poderão ser determinadas a partir desse conjunto. A matéria pode sofrer transformações de um estado para outro. Quando alguma propriedade do sistema é alterada, altera-se também o estado do sistema. Ex: fusão, ebulição... Propriedade e estado de uma substância Propriedade: E uma característica macroscópica do sistema a qual podemos atribuir um valor numérico, independentemente do caminho pelo qual o sistema chegou a estado considerado. Exemplos: massa, volume, pressão, temperatura, etc. Propriedade intensiva: é independente da massa; Propriedade extensiva: varia diretamente com a massa. Exemplos: uma quantidade de matéria, em um dado estado, é dividida em 2 partes iguais, cada parte terá o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valor das propriedades extensivas da massa original. Prop. intensiva: temperatura, pressão, massa específica, volume específico; Prop. extensiva: massa e volume total. Equilíbrio Equilíbrio térmico: a temperatura será a mesma em todo o gás e a temperatura será uma propriedade do sistema; Equilíbrio mecânico: a pressão será a mesma em todo o sistema, em qualquer ponto, sem variar com o tempo; Equilíbrio químico: se o estado de um sistema tende a permanecer quando as interações com as vizinhanças são interrompidas; Equilíbrio termodinâmico: quando um sistema está em equilíbrio, em relação a todas as possíveis mudanças de estado. Processo de quase-equilíbrio : E aquele durante o qual o afastamento do equilíbrio e, no máximo, infinitesimal. Ex: remoção de pequenos pesos do êmbolo, um a um. Equilíbrio Os estados de não-equilíbrio se caracterizam por apresentarem variações espaciais das propriedades intensivas. Estaremos limitados a descrever o sistema antes da ocorrência do processo, e após a ocorrência do mesmo, quando o equilíbrio é estabelecido. Não iremos especificar cada estado que o sistema percorre, nem a velocidade com que ocorreu. Ex: remoção brusca dos pesos do êmbolo, com expansão do êmbolo e possível mudança de estado. Processo ISOtérmico Processo ocorre a TEMPERATURA constante. Processo ISObárico Processo ocorre a PRESSÃO constante. Processo ISOcórico Processo ocorre a VOLUME constante. Processo PROCESSO Gás Peso 1 Gás Peso 2 Ciclos Ciclo: E uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado. 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 executou um ciclo. Exemplo: Ciclo térmico (termodinâmico): a água que circula a termoelétrica; Ciclo mecânico: motores de combustão interna. 23/08/2013 3 Ciclos Ciclo: E uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado. 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 executou um ciclo. Exemplo: Ciclo térmico (termodinâmico): a água que circula a termoelétrica; Ciclo mecânico: motores de combustão interna. 1 2 P v Energia Energia: Pode ser definida como a capacidade de produzir um efeito. Energia pode ser acumulada em um sistema e pode ser transferida, por exemplo: Como calor, do sistema para um outro sistema. Do ponto de vista molecular, temos formas de energia: 1) Energia potencial intermolecular: associada as forças entre moléculas; 2) Energia cinética molecular: associada à velocidade de translação das moléculas; 3) Energia intramolecular: associada a estrutura molecular e atômica. Massa específica e volume específico • Massa específica: Massa específica: é a relação (razão) entre a massa de um material e o volume por ele ocupado. 3m kg V m volume massa ===ρ Para sólidos e líquidos, a densidade geralmente é expressa em gramas/centímetros cúbicos (g/cm3); para gases, costuma ser expressa em gramas/litro (g/L). Por que o gelo flutua? Isso ocorre porque a massa específica do gelo (0,92 g/cm3) é menor que a massa específica da água do mar (1,03 g/cm3). Massa específica e volume específico 1) Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria para identificar as substâncias? A massa específica (ρ) de cada um dos líquidos, à temperatura ambiente, é: ρ(água) = 1,0 g/cm3 ρ(clorofórmio) = 1,4 g/cm3 ρ(etanol) = 0,8 g/cm3 Massa específica 1) Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria para identificar as substâncias? A massa específica (ρ) de cada um dos líquidos, à temperatura ambiente, é: ρ(água) = 1,0 g/cm3 ρ(clorofórmio)= 1,4 g/cm3 ρ(etanol) = 0,8 g/cm3 Pressão • Pressão: A Terra está envolvida por uma camada de ar que tem espessura aproximada de 800 km. Essa camada de ar exerce pressão sobre os corpos: a pressão atmosférica. 23/08/2013 4 Pressão • Pressão: Pelo Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão é o pascal (Pa), que se relaciona com a unidade atmosfera na seguinte proporção: Pressão • Pressão: Pressão • Pressão: Zero Absoluto (vácuo absoluto) Pressão atmosférica local Pressão atmosférica normal Pressão efetiva negativa (sucção vácuo) Pressão efetiva 101,325kPa 2 1Leitura do barômetro abs bar manP P P= + Temperatura • Temperatura: Igualdade de temperatura: Considerando 2 corpos com diferentes temperatura. Se esses corpos foram colocados em contato térmico observamos: • resistência elétrica do corpo quente decresce com o tempo até que nenhuma mudança é observada; • o comprimento do corpo quente decresce com o tempo até que nenhuma mudança é observada; •A temperatura do corpo quente diminui até que nenhuma mudança é observada. Temperatura Conclusão: Os 2 corpos possuem igualdade de temperatura, pois não apresentam alterações em qualquer propriedade mensurável quando colocados em contato térmico. Lei Zero da Termodinâmica Temperatura A lei zero da termodinâmica diz que, quando dois corpos possuem igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. Corpo 1 Corpo 2 Corpo 1 T T 23/08/2013 5 Unidades 1. Transforme as massas em gramas (g): a) 0,20 kg b) 200 mg 2. Transforme os volumes em litros (L): a) 1 dm3 b) 100 mL c) 200 cm3 d) 3,0 m3 3. Transforme as temperaturas: a) 27 ºC em Kelvin (K) b) 500 K em ºC (Celsius) 4. Transforme as pressões: a) 1 520 mmHg em atm b) 0,5 atm em mmHg 1) Um tanque de aço com massa de 15 kg armazena 300 L de gasolina que apresenta massa especifica de 800 kg/m3. Qual a força necessária para acelerar este conjunto a 4 m/s2? 2) Um manômetro em U, que utiliza água, apresenta diferença entre as alturas das colunas igual a 25 cm. Qual a pressão relativa? 3) Um conjunto cilindro-pistão, com área de seção transversal igual a 15 cm2 contém um gás. Sabendo que a massa do pistão é 5 kg e que o conjunto está montado numa centrífuga que proporciona uma aceleração de 25 m/s2. Calcula a pressão do gás (absoluta). Admita que o valor da pressão atmosférica é normal. 4) Os cilindros A e B contém um gás e estão conectados por uma tubulação. As áreas das seções transversais são AA=75 cm 2 e AB=25 cm 2. A massa do pistão A é 25 kg. Calcule a massa do pistão B de modo que nenhum dos pistões fique apoiado nas superfícies dos cilindros. Propriedades de uma substância pura Propriedades de uma substância pura O conhecimento do comportamento das substâncias através de suas propriedades é fundamental na análise de processos e sistemas termodinâmicos. Propriedades de uma substância pura O conhecimento do comportamento das substâncias através de suas propriedades é fundamental na análise de processos e sistemas termodinâmicos. Substância Pura: substância pura é aquela que apresenta composição química invariável e homogênea. Pode ser encontrada em várias fases sem alteração da composição química. Mistura eutética Mistura azeotrópica Misturas Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Considerando um sistema, água em um êmbolo-cilindro, com massa de 1 kg e que o êmbolo seja mantido a uma pressão de 0,1 MPa e temperatura inicial de 20ºC. Este sistema encontra- se em que fase? Calor é transferido pra esta água, a temperatura aumenta, porém a pressão é mantida constante. O que acontece quando a água atinge uma temperatura de aproximadamente 100ºC ? O que acontece com o volume do sistema? Quando a última gota de líquido tiver vaporizado, uma transferência adicional de calor resulta em um aumento da temperatura e do volume do vapor. 23/08/2013 6 Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura. Portanto, para a água a 100 ºC, a pressão de saturação é de 0,1 MPa, e para a água a 0,1 Mpa, a pressão de saturação é de 100 ºC. Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura. Portanto, para a água a 100 ºC, a pressão de saturação é de 0,1 MPa, e para a água a 0,1 Mpa, a pressão de saturação é de 100 ºC. Na linha temos o equilíbrio líquido-vapor, ou seja, temos 2 fases em equilíbrio. Ex: 20% (m/m) de vapor. Abaixo desta curva temos a fase vapor, denominado vapor superaquecido; Já acima temos a fase líquida, denominado líquido subresfriado. Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura. Portanto, para a água a 100 ºC, a pressão de saturação é de 0,1 MPa, e para a água a 0,1 Mpa, a pressão de saturação é de 100 ºC. A líquido é denominado saturado quando a substancia encontra-se na fase líquida a temperatura e pressão de saturação, ou seja, na eminência de entra em equilíbrio com o vapor. Já quando o vapor está da eminência do equilíbrio com o líquido, denomina-se de vapor saturado. Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Diagrama temperatura-volume para a água 20ºC A – estado líquido 20ºC / 0,1 MPa B – líquido saturado, temperatura de saturação 100ºC / 0,1 Mpa AB = pequeno aumento de volume BC = região de equilíbrio líquido- vapor, grande aumento de volume, a temperatura constante; C = vapor saturado; CD = vapor superaquecido. Obs: Processo de aquecimento ABCD foi a pressão constante, 1 MPa Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Diagrama temperatura-volume para a água 20ºC E se a pressão do sistema for de 1 MPa ou 10 MPa?? 180ºC 100ºC E se a pressão for alterada para 22,09 MPa, processo MNO, o que irá acontecer? Não existe a etapa de vaporização a temperatura constante. N é denominado ponto crítico. Neste ponto temos líquido saturado e vapor saturado. Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Diagrama temperatura-volume para a água 20ºC 180ºC 100ºC Acima da pressão crítica (22,09 MPa), há apenas uma fase presente, que não pode ser denominada de líquida, nem vapor. Temos neste caso um fluido denominado supercrítico. 23/08/2013 7 Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Diagrama pressão-temperatura para a água -10 0,003 Ponto triplo: • 3 fases em equilíbrio •(sólido, líquido e vapor) P. crítico Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Tabela de ponto crítico. Tabela de ponto triplo. Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura Propriedades de uma substância pura Já para o ferro,temos: Diversos pontos triplos podem ser observados, porém existe somente 1 em que as fases sólido, líquido e vapor estão em equilíbrio. Pode existir ponto triplo entre: • 2 fases sólidas e 1 líquida; • 2 fases sólidas e 1 vapor; • 3 fases sólidas. Propriedades de uma substância pura Propriedades de uma substância pura Propriedades de uma substância pura 23/08/2013 8 Propriedades de uma substância pura O estado de uma substância pura pode ser definido por duas propriedades intensivas independentes. Por exemplo, para um sistema constituído por água líquida o conhecimento da pressão e da temperatura é suficiente para definir o estado termodinâmico do sistema e consequentemente, as demais propriedades. O mesmo pode ser observado para um sistema constituído por vapor d’água. Propriedades de uma substância pura Caso o sistema, constituído por água, esteja em sua temperatura e pressão de saturação, teremos duas possibilidades. A primeira é a analisar o líquido saturado; a segunda analisar o vapor saturado. Ambos possuem a mesma pressão e temperatura de saturação, mas suas propriedades são bem diferentes. Assim, pode-se concluir na condição de saturação pressão e temperatura não são independentes entre si. Desta forma, para se fixar o estado termodinâmico do sistema em questão é necessário o conhecimento de outra propriedade que seja independente em relação ou a temperatura ou a pressão, como por exemplo o volume específico. Equilíbrio de fases Título (X): O Título é definido como a razão entre a massa de vapor e a massa total do sistema. Assim, para um sistema que apresenta apenas uma única fase tem-se que: ���� Fase Líquida: Título igual a zero (0); � Fase Vapor: Título igual a um (1); Quanto o sistema apresenta a fase líquida e a fase vapor em equilíbrio o título será maior que zero (0) e menor que um (1). v a p t o t a l m x m = Equilíbrio de fases total liq vapV V V= + ( )1 liq vapv x v xv= − + Quadro!!! 1) Calcular o volume específico da mistura vapor e líquido, de água, a 200 ºC e apresentando um título igual a 70%. Ver tabelas de vapor. 2) Um vaso contém água a 100kPa e com título igual a 10%. Determine a fração em volume do vaso que é ocupada por vapor d’água. liq lvv v xv= + Equilíbrio de fases Um conjunto cilindro – pistão contém inicialmente, vapor d’água saturado a 200kPa. Neste estado, a distância entre o pistão e o fundo do cilindro é 0,1m. Determine esta distância se a temperatura for alterada para 200oC. Repita o problema admitindo que a temperatura final foi alterada para 100oC. Admita que o processo ocorre a pressão constante. Equilíbrio de fases Considere os dois tanques, A e B, e a tubulação com válvula mostrada na figura abaixo. Os dois tanques contêm água. O volume do tanque A é igual a 1m3 e a água armazenada neste tanque apresenta pressão igual a 200kPa e v = 0,5m3/kg. O tanque B contém 3,5kg de água a 0,5MPa e 400oC. A válvula que liga os tanques é então aberta e espera-se até que a condição de equilíbrio seja atingida. Determine o volume específico no estado final do processo. A B 23/08/2013 9 Equilíbrio de fases Um vaso contém água a 100kPa e com título igual a 10%. Determine a fração em volume do vaso que é ocupada por vapor d’água. Propriedades de uma substância pura Verifique a estado físico da água para cada uma das condições abaixo: a) 18 MPa e 0,003 m3/kg b) 1 MPa e 150 ºC c) 200 ºC e 0,2 m3kg d) 10 kPa e 10 ºC e) 130 ºC e 200 kPa f) 70 ºC e 1 m3/kg Ver tabelas termodinâmicas da água!!!
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