Resumo 1 TERMO I

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Termodinâmica I 
 
 
 
 
 
 
 
 
PARTE 1 
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TERMODINÂMICA 
 
 
 Estuda a ENERGIA e suas transformações. 
 
 Fornece a base científica para a análise dos processos de conversão de energia 
 
 Permite verificar a eficiência do uso da energia: custo e fatores ambientais envolvidos 
no processo de conversão. 
 
 Permite entender da tendência futura energia - consumo e seu impacto sócio – 
econômico. 
 
 
O estudo da termodinâmica é voltado a 2 formas principais de energia: CALOR e 
TRABALHO. 
 
 
LEIS DA TERMODINÂMICA 
 
São baseadas na experiência. 
 
 Lei zero: Descreve a possibilidade de definir a temperatura dos objetos. 
 
 1ª Lei: Princípio da Conservação de energia 
 
 2ª Lei: - Permite - descrever a direção dos processos 
 - calcular a eficiência de equipamentos e ciclos termodinâmicos 
 - verificar se é possível ou não a ocorrência de um processo. 
 
 3ª Lei: Se ocupa das propriedades da matéria a temperaturas muito baixas 
 
 
 
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
1. SISTEMA 
 
Objeto de análise identificado para estudo das interações (trocas de energia e/ou matéria) 
com o meio externo. 
 
- A composição da matéria dentro do sistema pode ser fixa ou variável. 
- A forma ou o volume do sistema não é necessariamente constante. 
 
Vizinhança: Tudo externo ao sistema. 
 
Fronteira: Separa o sistema do meio externo ou vizinhança. Pode estar em repouso ou 
movimento. 
 
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Qualquer análise termodinâmica começa 
com a seleção do sistema, fronteira e vizinhanças 
 
 
 
2. TIPOS DE SISTEMAS 
 
a) Isolados: não trocam matéria ou energia com o meio externo. 
 
b) Fechados: Não trocam matéria, mas podem permutar energia. 
 
c) Abertos: Podem trocar matéria e energia com sistemas vizinhos. 
 
 
 
 
 
 
gás
Embolo Móvel Fronteira
Móvel
Fronteira
Imaginária
Fronteira
RealQ
vizinhança
vizinhança
vizinhança
vizinhança
gás
Embolo Móvel Fronteira
Móvel
Fronteira
Imaginária
Fronteira
RealQ
gás
Embolo Móvel Fronteira
Móvel
Fronteira
Imaginária
Fronteira
RealQ
vizinhança
vizinhança
vizinhança
vizinhança
 
 
Sistema 
Fechado
m = constante
massa
energia SIM
NÃOSistema 
Fechado
m = constante
massa
energia SIM
NÃO
 
 
 Sistema Fechado 
Volume de 
controle
Superfície de controle
massa SIM
.
Energia SIM
Volume de 
controle
Superfície de controle
massa SIM
.
Energia SIM
 
 
 Sistema aberto. 
 4 
3. TRATAMENTO MACRO E MICROSCÓPICO 
 
Macroscópico(Termodinâmica Clássica): 
 
� Relacionado ao comportamento ou efeitos totais ou médios de moléculas que 
compõe o sistema. 
 
� Não interessam detalhes moleculares e estrutura atômica. 
 
Microscópico(Termodinâmica estatística): 
 
� Quando se considera a natureza molecular e atômica da matéria. 
 
� Para aplicações envolvendo laser, escoamento de gás a alta velocidade, cinética 
química, criogenia, cálculo de propriedades, etc. 
 
 
4. PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 
 
São características macroscópicas do sistema. 
Ex: massa, volume, pressão, temperatura, etc. 
 
Propriedades Extensivas 
• valor da propriedade para um sistema global é a soma de seus valores para as partes 
nas quais o sistema é dividido. 
• dependem da quantidade de matéria contida no sistema 
• podem variar com o tempo. 
 
Ex: massa, volume, energia interna, entalpia, entropia. 
 
 
 
Propriedades Intensivas 
• Não são aditivas. Seus valores são independentes do tamanho ou extensão de um 
sistema. 
• São funções da posição e do tempo, mas não se alteram quando o sistema é 
subdivido. 
 
Ex: pressão, temperatura, viscosidade, massa específica, etc. 
 
 
5. ESTADO 
 
• Condição do sistema descrito por suas propriedades. 
• Quando as propriedades do sistema variam, o estado varia e o sistema é dito ter 
passado por um processo. 
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6. PROCESSO 
 
É a transformação de um estado a outro. 
 
A variação no valor de uma propriedade entre dois estados independe do processo. 
 
Ex: ∆T=T2-T1 
 
Processos em que uma propriedade se mantém constante: 
 
Processo isotérmico = T constante 
Processo isobárico = p constante 
Processo isocórico ou isovolumétrico = V constante 
 
 
 
 
 
7. EQUILÏBRIO 
 
Um sistema em equilíbrio não experimenta nenhuma variação em suas propriedades. 
 
A termodinâmica trata com estados de equilíbrio. 
 
Equilíbrio térmico = mesma temperatura 
Equilíbrio mecânico = mesma pressão 
Equilíbrio químico = mesma concentração 
Equilíbrio termodinâmico deve satisfazer todas as formas de equilíbrio. 
 
Processo de quasiequilíbrio ou quasiestático: 
 
Processo em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal (processo lento). 
Todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser 
considerados como estados de equilíbrio. 
T 
p 
T 
v v v 
 Proces. Isotérmico Proces. Isobárico Proces. isocórico 
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8. CICLO 
 
Seqüência de processos, que começam e terminam no mesmo estado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. FASE 
 
Quantidade de matéria que é homogênea na composição química e estrutura física (toda 
sólida, ou gás ou líquida). 
 
Em cada fase a substância pode existir a diferentes pressões e temperatura. 
 
Ex: - água líquida e vapor d’água – 2 fases 
 - os gases podem ser misturados e formar uma simples fase 
 
 
SISTEMAS DE UNIDADES 
 
 
 Atribui valores numéricos específicos para fenômenos físicos observáveis, de 
maneira que estes possam ser descritos analiticamente. 
 
DIMENSÃO quantidade física utilizada para definir qualitativamente uma propriedade que 
pode ser medida ou observada. 
 
Exemplo: Comprimento [L], Tempo [t], Massa [M], Força [F] e Temperatura [θ]. 
 
UNIDADE são nomes arbitrários atribuídos às dimensões. 
 Exemplo: dimensão → comprimento 
 unidades → centímetros, pés, polegadas, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1
2
1
2
3
1
2
1
2
3
 
 
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SISTEMAS DE UNIDADES 
 
1. Sistema Internacional - SI - 
 
L Comprimento metro m 
M Massa quilograma kg 
t Tempo segundo s 
θθθθ Temperatura graus Celsius ou Kelvin °C ou K 
 
 
Força: definida pela 2ª Lei de Newton 
 
a.mF = 
 
F - força [N] 
m - massa [kg] �
�
�
�
�
�
== N2s
mkg a.mF 
a - aceleração [m/s2] 
 
 
2. Sistema Inglês 
 
 
L Comprimento Pés ft 
M Massa libra-massa lbm 
F Força libra-força lbf 
t Tempo Segundo s 
θθθθ Temperatura graus Fahrenheit ou Rankine °F ou °R 
 
 
Força: é estabelecido como uma quantidade independente definida por procedimento 
experimental: a força de 1 lbf acelerará a massa de 1 lbm 32,174 pés por 
segundo ao quadrado. 
 
 
- Ao relacionar força e massa pela lei de Newton, surge uma constante de 
proporcionalidade, gc: 
lbf1
g
)s/ft174,32.(lbm1
g
a.mF
c
2
c
=== 
 
- gc terá as dimensões MLF-1t-2 
- para sistema inglês: 2c s.lbf
ft.lbm174,32g =
 
 
gc tem o mesmo valor numérico que a aceleração da gravidade ao nível do mar, mas não 
é aceleração da gravidade. Serve para relacionar estas quantidades. 
 
 
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3. Sistema Gravitacional Britânico 
 
 
L Comprimento pés ft 
M Massa slug slug 
F Força libra-força lbf 
t Tempo segundo s 
θ Temperatura graus Fahrenheit ou Rankine °F ou °R 
 
Outros: 
 - Sistema Técnico de Engenharia: kg, m, s, kgf 
 gc= 9,80665 kg.m/(kgf.s2)- Sistema CGS: g, cm, s, dina 
 
 
PESO ≠≠≠≠ MASSA 
 
O Peso de um corpo é definido como a força que age no corpo resultante da aceleração 
da gravidade. Varia com a altitude. 
 
MASSA ESPECÍFICA E VOLUME ESPECÍFICO 
 
São propriedades intensivas: variam de ponto a ponto no sistema e com o tempo. 
 
- Massa específica ( ρρρρ ): massa por unidade de volume. 
V
m
=ρ , 
ft
lbm
 , 
m
kg
33 ��
�
�
�
�
 
 
- Volume específico (v): inverso da massa específica ou o volume por unidade de 
massa. 
ρ
==
1
m
V
v , 
lbm
ft
 , 
kg
m 33
�
�
�
�
�
�
�
�
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PRESSÃO 
 
 Para um fluido em repouso, a pressão (P) é definida como a força normal (FN) por 
unidade de área (A). Nestas condições, ela é chamada de pressão estática. 
 
 
A
F
P N= [ ] psi bar, ,Pa 
 
SI: MPa1,0Pa10 1bar ,
m
N1Pa1 52 === Inglês: 2in
lbf1psi1 = 
 
A pressão é uma propriedade intensiva, varia de ponto a ponto no sistema. Exemplo: 
pressão atmosférica com a elevação, pressão com a profundidade de corpos na água 
 
Manômetros de Pressão: são instrumentos para medir a pressão de fluidos 
(gasosos ou líquidos) em recipientes fechados. Os mais comuns são os manômetros e 
os tubos de Bourdon. 
 
Manômetros: o manômetro tipo de nível utiliza uma coluna de líquido, normalmente 
água (H2O) ou mercúrio(Hg), para medir a pressão, indicando a altura da coluna, a 
intensidade de pressão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Tubos de Bourdon: consiste em um tubo metálico curvado, de forma elíptica que se 
tende a se endireitar quando aumenta a pressão do fluido no tubo e a se aper4tar quando 
a pressão diminui. Qualquer modificação na curvatura do tubo transmite-se através de um 
sistema de engrenagens para um ponteiro indicador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tubo de Bourdon 
 
 
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Barômetros: medem a pressão atmosférica através da altura de uma coluna de Hg 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 atmosfera padrão (atm) = pressão produzida por uma coluna de 760 mm de mercúrio a 
273,15 K e sob aceleração gravitacional padrão na terra de g=9,8 m/s2 
 
 1 atm = 1,01325 x 105 Pa (N/m2) = 14,696 lbf/in2 
 
 
 
 
 
�ghPPP vaporatmA +== 
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Pressão absoluta, pressão atmosférica e pressão manométrica 
 
 
 
 
 
Pressão absoluta = Pressão total 
 
Pressão atmosférica = pressão exercida pela atmosfera (varia com o local e a elevação) 
e é o resultado do peso do ar. Medida com o barômetro. 
 
Pressão manométrica = pressão efetiva medida por aparelhos (manômetros). É a 
diferença entre pressão absoluta no sistema e a pressão 
atmosférica externa ao medidor 
 
 
 
 
Pabs1
Patm
Pabs2
0
 
 
efet1P atmP1absP += 2efetPatmPabs2P −= 
∆P = Pefe1 
∆P = Pefe2 
Patm 
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TEMPERATURA E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA 
 
 
Temperatura: propriedade intensiva 
 medida da sensacão de “quente”e “frio” 
 quando temperatura varia outras propriedades também variam 
 
Igualdade de temperatura - equilíbrio térmico - quando as variações de uma 
propriedade sob observação cessam, finaliza interação 
Temperatura é a propriedade física que indica se os corpos estão em equilíbrio térmico 
(temperaturas iguais) 
 
Lei zero da termodinâmica 
 
 A Lei Zero da Termodinâmica é a base para a medição da temperatura. Se 
quisermos saber se 2 corpos estão a mesma temperatura basta verificar se eles estão 
individualmente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo → TERMÔMETRO 
 
Termômetros - qualquer corpo com pelo menos uma propriedade miscível que varie com 
a variação de temperatura (propriedade termométrica) 
 
 
Sensores de 
temperatura 
substância 
termométrica 
propriedade 
termométrica 
característica 
 
Termômetro líquido 
 
mercúrio, álcool 
comprimento do 
líquido no capilar 
 
 
temperaturas normais 
 
Termômetro a gás 
 
hélio ou hidrogênio 
 
pressão 
.precisão e exatidão 
.instrumento padrão de 
calibração 
Termopares união entre 2 metais: 
Cu/constantã, 
Pt/radio 
fem altas temperaturas 
Sensores de 
resistência elétrica 
materiais 
condutores: Pt, Ni, 
Cu 
semicondu-tores 
 
Pirômetros de 
radiação 
 
pirômetros óticos 
 sensores de 
radiação 
para medir T de objetos 
em movimento a T 
elevadas 
 
 
 Entretanto, necessita-se relacionar as temperaturas lidas em diferentes 
termômetros. 
“Dois corpos, cada um em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, estarão em 
equilíbrio térmico entre si” 
 
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Escalas de temperatura 
 
São definidas para um valor numérico atribuído a um ponto fixo padrão. 
 
 SI, a escala usada é a Celsius (°C) 
 Sistema inglês, o Fahrenheit (°F) 
 
Até 1954 eram baseadas em dois pontos fixos reproduzíveis: 
 
temperatura de fusão do gelo - mistura água/gelo em equilíbrio com o ar saturada a 1 
atm - 0°C, 32°F 
temperatura de vaporização da água - água e vapor em equilíbrio a 1 atm - 100°C, 
212°F 
 
 
A partir de 1954 a escala Celsius foi redefinida em termos do ponto triplo da água - 
coexistência das fases sólido, líquido e vapor => 0,01 °C 
 
 
Escalas Absolutas (Escala termodinâmica de temperatura) 
 
 Escala de temperatura independente da substância termométrica 
 
 Obtida através do princípio da conservação de energia e segunda lei da 
termodinâmica 
 
 A ESCALA KELVIN é uma escala de temperatura termodinâmica absoluta que dá 
uma definição de temperatura válida sobre todas as faixas de temperatura. 
 Medidas com diferentes termômetros podem ser relacionadas a escala Kelvin. 
 
 A escala Celsius tem a mesma magnitude que a Kelvin, portanto as diferenças são 
idênticas em ambas escalas. 
0 °C= 273,15 K 
T(°C)= T(K)-273,15 
 
 A ESCALA RANKINE (°R) é associada a Fahrenheit (mesma magnitude) 
 O zero absoluto da Rankine coincide com o da Kelvin. 
 
 T(°F)= T(°R)-459,67 
 
 T(°F)=32+9/5 T(°C) 
 T(°R)= 9/5 T(K) 
 
 
 
 15 
K °C °R °F
100 671,67 212
273,16 0,01 491,69 32,02
273,15 0,00 491,67 32,0
0,00 -273,15 0,00
-459,67Zero absoluto
Ponto tripo
da água
Ponto de
fusão
Ponto de
vaporização
Kelvin Celsius Rankine Fahrenheit
373,15