Aula 2 -TERMODINÂMICA- Conceitos Fundamentais

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TermodinâmicaTermodinâmica
Conceitos Fundamentais
Sistemas de Unidades
Termodinâmica Básica
O que é Termodinâmica?
?
Termodinâmica Básica
Conversão de energia na 
forma de calor em potência 
mecânica
Termodinâmica Básica
O que é Termodinâmica? Sistema Termodinâmico
Quantidade de matéria ou região escolhida do 
espaço.
sistema
vizinhança
fronteira
Termodinâmica Básica
Fronteira: real ou imaginária. Fixa ou móvel. 
Espessura nula (sem volume, não contém 
massa)
sistema
vizinhança
fronteira
Sistema Termodinâmico
Sua definição é 
arbitrária e dever 
ser feita pela 
conveniência da 
análise a ser feita
Termodinâmica Básica
Fechado (ou massa de controle) →
formado por uma quantidade fixa de matéria. 
Não pode ocorrer transferência de massa entre 
o sistema e a vizinhança. No entanto, pode 
haver troca de energia. 
Isolado → além de fechado, não há troca de 
energia com a vizinhança.
Sistema Termodinâmico
Termodinâmica Básica
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Aberto (volume de controle) → é uma 
região ou volume do espaço, escolhido de 
acordo com a conveniência técnica do 
problema a ser analisado. Pode haver troca de 
massa e de energia entre o sistema aberto e a 
vizinhança. Ex.: compressor, turbina, 
aquecedor de água, etc.
Sistema Termodinâmico
Termodinâmica Básica
Exemplo:
Sistema Termodinâmico
GAS
ENERGIA
TRABALHO
Sistema fechado
Pistão
Termodinâmica Básica
Propriedades
Propriedades → qualquer característica da 
substância: P, T, V, m. 
Obs: Nem todas as propriedades são independentes
Exemplos
)(Kg/m 
V
m 3=ρ
)Kg/(m 1
m
V 3
ρ==ν
densidade:
volume específico:
Termodinâmica Básica
Propriedades
Cada uma das propriedades em um dado 
estado tem somente um valor definido
As propriedades têm sempre o mesmo valor 
para o dado estado independente de como o 
material chegou àquele estado.
Uma determinada quantidade (m, V, T, etc.), é 
uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a 
mudança de seu valor entre dois estados é 
independente do processo. Termodinâmica Básica
Propriedades extensivas e 
intensivas
Extensivas → São aquelas cujos valores dependem 
do tamanho, ou extensão, do sistema. Exemplos: m, 
V, energia total E.
Intensivas → São aquelas cujos valores independem
do tamanho, ou extensão, do sistema. Exemplos: P, 
T, V e ρ.
Termodinâmica Básica
Propriedades e equilíbrio de 
um sistema
Propriedade tem o mesmo valor para o sistema como 
um todo → Equilíbrio
Equilíbrio térmico
Termodinâmica Básica
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Estado de uma substância
Condição do sistema, como descrito por 
suas propriedades. 
Como normalmente existem relações entre 
as propriedades, o ESTADO pode ser 
caracterizado por um subconjunto de 
propriedades. Todas as outras propriedades 
podem ser determinadas em termos desse 
subconjunto.
Termodinâmica Básica
Estado de uma substância
Termodinâmica Básica
Cada fase de uma substância pode existir, 
por exemplo, a várias pressões e 
temperaturas, ou na linguagem da 
termodinâmica em vários estados
Estado de uma substância
Termodinâmica Básica
Equilíbrio de um sistema
Quando um sistema está em equilíbrio em relação 
a todas as possíveis mudanças de estado →
Equilíbrio Termodinâmico
Termodinâmica Básica
mudança de estado 
devido a mudança de 
uma ou mais 
propriedades →
mudança de estado do 
sistema
ESTADO 
ESTACIONÁRIO: 
nenhuma propriedade 
muda com o tempo
Processos
Termodinâmica Básica
Processos
O caminho é definido 
pela sucessão 
de estados →
Processo
Termodinâmica Básica
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Equilíbrio
EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO: implica em equilíbrios 
mecânico, térmico, de fase e químico.
UNIFORMIDADE DE PROPRIEDADES NO EQUILÍBRIO: não 
variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura.
PROCESSO QUASE-ESTÁTICO: processo composto de uma 
sucessão de estados de equilíbrio, representando cada processo 
um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior.
PROCESSOS REAIS: são compostos por sucessão de estados 
de não equilíbrio (não uniformidade espacial e temporal das 
propriedades, e variações locais com o tempo)
Termodinâmica Básica
Ciclos
Quando um sistema passa por mudanças a 
partir de um estado e retorna ao estado 
inicial → execução de um ciclo 
termodinâmico
Termodinâmica Básica
Energia
A Energia pode existir em numerosas formas: 
térmica, mecânica, cinética, potencial, 
elétrica, magnética, nuclear, energia
superficial .
Energia total de um sistema (E) → soma 
das energias
Termodinâmica Básica
Energia
(KJ/Kg) 
m
Ee =
Não temos valores absolutos da Energia total mas sim 
a sua variação
Tomar estado de referência
Termodinâmica Básica
Energia macro e microscópica
Energia macroscópica → trata do 
comportamento global, inteiro do sistema. 
São formas de energia que o sistema processa 
macroscopicamente como um todo, com relação 
a um referencial externo ao sistema.
Está relacionada ao movimento e a influência 
de alguns efeitos externos tais como o campo 
gravitacional, campo elétrico, campo magnético
e fenômenos superficiais.
Termodinâmica Básica
Energia macro e microscópica
Na ausência de campos elétricos e 
magnéticos, e fenômenos superficiais a 
energia macroscópica do sistema se resume 
a:
Energia cinética → Ec = mv2/2
Energia potencial → Ep = mgh
Termodinâmica Básica
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Energia macro e microscópica
Energia microscópica → Tratamento que 
leva em conta a estrutura da matéria. 
Está relacionada a estrutura atômica ou 
molecular do sistema (material) e ao grau de 
atividade atômico/molecular e que não 
depende de referencial externo ao sistema.
Energia interna (U) → A soma de todas 
as formas de energia microscópicas
Termodinâmica Básica
Energia total
Na ausência dos campos e de fenômenos 
superficiais, a energia total do sistema se 
escreve:
E = U + Ec + Ep
Em geral, a energia macroscópica não 
interfere nos processos de interesse: 
trabalhamos com sistemas em repouso. 
Neste caso:
UE ∆=∆
Termodinâmica Básica
Energia interna
A energia interna está relacionada à
estrutura da matéria e as interações entre 
átomos e/ou moléculas. 
Ela pode ser vista como a energia cinética e 
potencial dos átomos ou moléculas, pois 
estas não se encontram em repouso.
Termodinâmica Básica
Energia interna
Energia interna sensível → associada à Ec das 
moléculas do sistema.
Energia interna latente → associada a forças 
de ligação entre as moléculas. 
Termodinâmica Básica
Energia interna
Em uma reação química algumas ligações 
são destruídas e outras refeitas; em 
decorrência, a energia interna é alterada.
Energia nuclear → aquela associada às 
ligações internas ao núcleo do átomo. Esta 
permanece inalterada numa reação química, 
só se alterando numa reação nuclear
Termodinâmica Básica
Algumas definições
Parede diatérmica: permite interação 
térmica (troca de calor).
Parede adiabática: isolante ideal não 
permite interação térmica.
Processo adiabático: processo de um sistema 
envolvido por uma parede adiabática.
Processo isotérmico: T=constante.
Termodinâmica Básica
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Escalas de Temperatura
Ponto fixo padrão: ponto triplo da água 
(equilíbrio entre gelo, água e vapor d'água) 
= 273,16 K (pressão = 0,6113 Pa = 0,006 
atm).
Estabelecido por acordo internacional
Termodinâmica Básica
Escalas de Temperatura
Ponto de gelo - equilíbrio entre gelo, água e 
ar a 1 atm.: 273,15 K.
Ponto de vapor - equilíbrio entre a água 
líquida e seu vapor a 1 atm.: 373,15K.
Intervalo entre ponto de gelo e ponto de 
vapor = 100 K
Termodinâmica Básica
Escalas de Temperatura
CELSIUS: T(oC) = T(K) - 273,15
RANKINE: T(oR) = 1,8 T (K)
FAHRENHEIT: T(oF) = T(oR) - 459,67
ou
T (°F) = 1,8 T(°C) + 32
Termodinâmica BásicaSistemas de Unidades
Massa e massa específica
1 b = 0.4536 kg
1 lb/ft3 = 0.016018 g/cm3
1 lb/ft3 = 16.018 kg/m3
1 kg = 2.2046 lb
1g/cm3 = 103 kg/m3
1g/cm3 =62.428 lb/ft3
Comprimento
1 in. = 2.54 cm
1 ft = 0.3048 m
1 cm = 0.3937 in.
1m =3.2808 ft
Termodinâmica Básica
Sistemas de Unidades
Volume
1 in3 = 16.387 cm3
1 ft3 = 0.028317 m3
1gal = 0.13368 ft3
1 gal = 3.7854 x 10-3m3
1 cm3 = 0.061024 in3
1 m3 = 35.315 ft3
1 L =10-3m3
1 L = 0.0353 ft3
Força
1 lbf = 32.174 lb ft/s2
1 lbf = 4.4482 N
1 N = 1kg m/s2
1 N = 0.22481 lbf
Termodinâmica Básica
Sistemas de Unidades
Pressão
1 lbf/in2 = 6894.8 Pa
1 lbf/in2 = 144 lbf/ft2
1 atm = 14 696 lbf/in2
1 Pa = 1 N/m2
= 1.4504x10-4 lbf/in2
1 bar = 105 N/m2
1atm = 1.01325 bar
Termodinâmica Básica
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Sistemas de Unidades
Energia e Energia Específica
1 ft.lbf = 1.35582 J
1 Btu = 778.17 ft.lbf
1 Btu = 1.0551 kJ
1 Btu/lb = 2.326 kJ/kg
1 kcal = 4.1868 kJ
1J = 1N.m 
= 0.73756 ft.lbf
1 kJ = 737.56 lbf
1 kJ = 0.9478 Btu
1kJ/kg = 0.42992 Btu/lb
Termodinâmica Básica
Sistemas de Unidades
Taxa de Transferência de Energia
1 Btu/h = 0.293 W
1 hp = 2545 Btu/h
1hp = 550 ft lbf/s
1hp = 0.7457 kW
1 W = 1 J/s 
= 3.413 Btu/h
1kW = 1.341 hp
Calor Específico
1 Btu/lboR = 
4.1868 kJ/kg.K
1 kJ/kg K = 
0.238846 Btu/lb oR
1 kcal/kg K = 1 Btu/lb oR
Termodinâmica Básica
Como resolver problemas 
Termodinâmicos?
• definição do sistema;
• identificação das interações relevantes 
com a vizinhança;
• anotar dados e informações relevantes;
• hipóteses;
• análise: feita sobre as equações;
• interpretar.
Termodinâmica Básica