P2.TERMO APLICADA MODULO 1
20 pág.

P2.TERMO APLICADA MODULO 1

Pré-visualização5 páginas
TERMODINÂMICA APLICADA
AULA 1
Recordando conceitos fundamentais
A termodinâmica é a ciência que trata da energia. Podemos dizer que a energia é a capacidade de provocar alterações. A termodinâmica se baseia na lei fundamental da natureza, que é o princípio de conservação de energia.
A Lei Zero da Termodinâmica foi formulada por R.H. Fowler em 1931 e declara:
 
\u201cSe dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles também estão em equilíbrio térmico entre si\u201d.
 Para a termodinâmica iremos considerar apenas as três formas de energia (interna, cinética e potencial) como o valor total presente o sistema. Apesar de haver diversas outras formas de energia seus efeitos são significativos apenas em alguns casos específicos.
Como é de grande importância devemos analisar a energia em relação ao tempo e consequentemente por meio de uma taxa.
Quando estivermos trabalhando com fluxo de energia é conveniente também utilizarmos o fluxo de massa ao invés da massa diretamente.
					
onde \u3c1 é a massa específica do fluido, é A área da seção transversal ao escoamento e v é a velocidade média do escoamento.
Calor
Calor segundo o conceito termodinâmico é a transferência de energia térmica durante um processo, isto é, é a forma de energia transferida entre dois sistemas (ou entre um sistema e a vizinhança) em virtude da diferença de temperatura. Portanto só há transferência de calor se houver diferença de temperatura.
Se durante um processo não houver transferência de calor através da fronteira do sistema esse é um processo adiabático. 
O calor tem unidades de energia e a quantidade de calor transferida entre dois estados (1-2) é indicada como Q12 ou somente por Q, sendo que também pode ser apresentada por unidade de massa. 
Nos cursos e livros de termodinâmica a convenção de sinal assumida na grande parte das vezes é positiva para transferência de calor da vizinhança para um sistema e negativa quando a transferência de calor ocorre do sistema para a vizinhança. 
Q > 0; transferência de calor para o sistema.
Q < 0; transferência de calor do sistema.
Podemos também analisar a taxa de transferência de calor num determinado intervalo de tempo:
Trabalho 
O trabalho também é uma forma de energia que pode atravessar a fronteira de sistemas fechados. Portanto se a energia que cruza a fronteira não for calor, só pode ser trabalho. De maneira simplificada trabalho é a transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância.
Assim como para a energia, o trabalho tem uma convecção de sinal assumido com positivo quando o trabalho é realizado pelo sistema sobre a vizinhança e negativo se a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema. 
W > 0; trabalho realizado pelo sistema.
W < 0; trabalho realizado sobre o sistema.
O trabalho não é uma propriedade do sistema porque não depende somente dos estados final e inicial, mas sim do caminho em que foi realizado. Com isso essa forma de análise do trabalho possui uma diferencia inexata. Para termos uma integração exata podemos modelar o trabalho de expansão e compressão de um fluido que depende apenas de valores pontuais de volume inicial e final. Com isso podemos expressar o trabalho como:
Sendo assim:
 Primeira Lei da Termodinâmica
 A única maneira de variar a energia de um sistema fechado é por meio de calor ou trabalho. Porém a energia deve ser conservar, isto é, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Essa conservação de energia é o princípio da Primeira Lei.
Balanço de Energia 
A variação líquida da energia total de um sistema durante um processo é igual à diferença entre a energia total que entra e a energia total que sai do sistema durante esse processo. 
Eentra \u2013 Esai = \u394Esistema [J]
Essa relação se aplica a todo tipo de sistema em qualquer processo 
\u394Esistema = Efinal \u2013 Einicial = E2 \u2013 E1
A energia pode existir em diversas formas, cinética, potencial, magnética, eletromagnética, nuclear, química, e sua soma constitui a energia total. A variação da energia total de um sistema durante um processo pode ser expressa por: 
\u394Esistema = \u394U + \u394EC + \u394EP
onde U é a energia interna, EC a energia cinética e EP a energia potencial. Porém temos que:
\u394U = m (u2 \u2013 u1) [J]
\u394EC = ½ m (V22 \u2013 V12) [J]
\u394EP = m.g (z2 \u2013 z1) [J]
A energia pode ser transferida para ou de um sistema de três formas: 
1. Calor (Q) promove o aumento ou diminuição da energia das moléculas, e consequentemente a energia interna do sistema. 
2. Trabalho (W) é uma forma de energia que não seja proveniente de uma diferença de temperatura. A realização de trabalho sobre o sistema aumenta a energia do sistema, enquanto que a realização de trabalho pelo sistema diminui a energia dele. 
3. Fluxo de massa (\u1e41) é um mecanismo adicional de transferência de energia, tendo um aumento com o acréscimo de massa e uma diminuição com a retirada de massa do sistema. 
Com isso, o balanço de energia pode ser escrito da seguinte forma: 
\u394Esistema = Eentra \u2013 Esai = (Qentra \u2013 Qsai) + (Wentra \u2013 Wsai) + E massa,entra \u2013 E massa,sai
Na forma de taxa a variação de energia e de sua transferência na forma de calor e trabalho pode ser expressa como: 
\u116entra \u2013 \u116sai = dEsistema/dt [Watt]
= W/\u394t [Watt]
= Q/\u394t [Watt]
Balanço de Energia para Ciclo 
Num processo de ciclo termodinâmico o sistema retorna ao seu estado original e, portanto, a variação de energia líquida é nula. Assim temos: 
\u394Eciclo = Qciclo \u2013 Wciclo
\u394Eciclo = 0
Qciclo = Wciclo
 	No estudo da termodinâmica básica vimos que a energia deve ser conservar e que a Primeira Lei enuncia essa conservação. Porém, o cumprimento da Primeira Lei não nos garante que um processo ocorra realmente. Podemos evidenciar isso com um experimento muito simples. Se colocarmos um prato de comida que acabou de sair do forno sobre a mesa iremos verificar que com o tempo o calor é transferido da comida para o ambiente, esfriando nosso alimento. Esse experimento segue perfeitamente a Primeira Lei, pois o calor perdido pela comida se conserva sendo transferido para ar ambiente a sua volta. Agora vejamos o caso contrário. Se colocarmos um prato com a comida quente sobre a mesa neste mesmo ambiente não tem como o alimento aquecer ainda mais retirando calor do ar a sua volta, porque o mesmo se encontra numa temperatura menor, e já sabemos da física que o calor flui de um ponto com temperatura mais elevada para um ponto com temperatura menor. Porém se analisarmos não haveria violação da Primeira Lei, uma vez que a quantidade de energia perdida pelo ar estaria no alimento. 
Esse argumento deixa claro que o calor envolvido no processo ocorre em uma determinada direção, e não na direção oposta.
 Poderíamos então dizer que o processo ocorre no sentido em que ele é espontâneo, vejamos. Conceitualmente processos espontâneos são aqueles que ocorrem sem que a vizinhança necessite realizar trabalho sobre o sistema. Na maioria das situações processos espontâneos ocorrem se a energia do sistema diminui, isto é, uma bola cai da mão para o chão, pois com isso diminui a energia potencial presente nela. Porém nem sempre isso é verdadeiro. Um exemplo que pode parecer contraditório é a dissolução de cloreto de sódio (sal de cozinha). Essa dissolução é endotérmica (absorve energia para ocorrer), portanto não deveria ocorrer de forma espontânea, mas o faz.
Então a diminuição da energia de um sistema não é suficiente para prever se ele é ou não espontâneo. Infelizmente a Primeira Lei trata apenas de variações de energia, e enuncia a proporcionalidade entre calor e trabalho, mas não o sentido que ela assume. 
Outros exemplos que a Primeira Lei não é capaz de explicar: 
Um corpo mais quente troca calor com uma vizinhança mais fria, mas o inverso não ocorre espontaneamente. 
Ar a alta pressão num reservatório escoa espontaneamente para a vizinhança assim que a válvula é aberta, mas o sentido contrário não é possível acontecer.