termodinamica classica

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TERMODINÂMICA CLÁSSICA
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Londrina
Engenharia Química
Prof. Dra. Lisandra Lima
Lisandra F Lima
 e-mail: lisandra@utfpr.edu.br
Pagina moodle: http://moodle.utfpr.edu.br
Chave: termodinamica
Atendimento: Quinta feira (K102) as 16:20H-17:30H
QUEM SOU EU?
Pós doutorado (2016):DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA PARA O MONITORAMENTO DA CONSTANTE DIELÉTRICA EM SOLUÇÕES;
Doutorado (2005): OXIDAÇÃO DO LIMONENO CATALISADA POR COMPLEXOS METAL(SALEN) 
Mestrado (2002): OXIDAÇÃO DE MONOTERPENOS EM MEIO SUB E SUPERCRÍTICO
Graduação (2000): ENGENHARIA QUÍMICA - UEM
QUEM SÃO VOCÊS?
OBJETIVO DO CURSO
Introduzir conceitos de Termodinâmica;
O que você imagina que este curso ajudará a voce na sua carreira?
EMENTA DO CURSO
GASES IDEAIS. 
PRIMEIRA LEI DA TERMODINAMICA. 
TERMOQUIMICA. 
SEGUNDA LEI DA TERMODINAMICA. 
FUNCOES DE GIBBS E HELMHOLTZ. 
TERMODINAMICA DE SISTEMAS ABERTOS. TERMODINAMICA DE SUBSTANCIAS PURAS. 
SOLUCOES. 
GRANDEZAS PARCIAIS MOLARES.
SOLUÇÃO IDEAL.
ESTADOS PADRÕES. 
PROPRIEDADES COLIGATIVAS.
EQUILIBRIO L-V DE SOLUÇÃO IDEAL. 
SOLUCAO NÃO IDEAL. AZEOTROPISMO. EQUILIBRIO QUÍMICO
espectro bastante abrangente como 
ciência da ENERGIA 
relações entre as PROPRIEDADES da matéria. 
Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade
Estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz. 
Atualmente
Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria 
Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança 
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O QUE É TERMODINAMICA?
PARA QUE SERVE NA ENGENHARIA?
Fonte: Apostila Termodinamica UNITAL (Fernando Porto)
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABm6YAK/apostila-termodinamica#
A Termodinâmica está associada ao estudo de formas de energia e como esta pode ser convertida em outras formas de energia e trabalho.
Grego Therme
 Dynamis
“Descrição fenomenológica das propriedades de equilibrio de sistemas macroscópicos”
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Estas leis levam através de deduções matemáticas a um conjunto de equações que encontram aplicações em todos os campos da ciência e da engenharia
		
	Engenharia (voltada para a) Química
					 Processos Químicos
TERMODINÂMICA
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TERMODINÂMICA CLÁSSICA
X
TERMODINÂMICA NÃO EQUILIBRIO
Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas. 
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“Descrição fenomenológica das propriedades de equilibrio de sistemas macroscópicos”
TERMODINAMICA CLÁSSICA
TERMODINÂMICA CLÁSSICA
É uma ciência lógica e muitas vezes intuitiva.
Muitas vezes parece e é obvia, mas a sua demonstração nem sempre é tão fácil.
Isso tem trazido para muitos uma surpresa bastante desagradável na hora de verificar os conhecimentos assimilados.
TERMODINÂMICA NÃO EQUILIBRIO:
 
Utiliza como ferramenta a descrição estatística do comportamento do sistema a parir do comportamento de cada átomo do sistema, individualmente. 
A termodinâmica estatística parte do princípio que conhecendo o comportamento do material a nível microscópico é possível prever suas propriedades macroscópicas.
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FÍSICO QUÍMICA
A físico-química é a disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria, através da combinação de duas ciências: a física (onde se destacam áreas como a termodinâmica e a mecânica quântica) e a química.
EQUILIBRIO TERMODINAMICO
FONTE: https://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/18255315/La-ley-cero-de-la-termodinamica---Ley-del-equilibrio-Termico.html
Fonte: http://divagacoesligeiras.blogs.sapo.pt/forma-e-energia-546016
Fig. A) equilíbrio instável; B) equilíbrio estável; C) Equilíbrio metaestável;
EQUILIBRIO TERMODINAMICO
FONTE:http://antonioiodice.blogspot.com.br/2008/11/unita-didattica-1-i-sitemi.html 
Equilibrio estável
Sistemas isolados sempre evoluem para estados de equilíbrio;
Um sistema em equilíbrio não se afasta espontaneamente deste estado para outro estado de equilíbrio;
Propriedades de um sistema em equilíbrio são independentes da sua história;
“ A NATUREZA DOS ESTADOS TERMODINAMICOS SE TORNA MAIS CLARA QUANDO SE ESTABELECE AS POSSIVEIS RELAÇÕES ENTRE AS VARIAVEIS TERMODINAMICAS”
https://www.youtube.com/watch?v=MeAhTeRh2og
Existem vários casos da aplicação simples da TD
OPORTUNIDADES
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	► cálculo das necessidades de calor e de trabalho para processos físicos e químicos
							BM e BE
	 ► determinação das condições de equilíbrio para as reações químicas e para a transferência de espécies químicas entre fases diferentes
			condição de estabilidade TD
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BIBLIOGRAFIA DA DISCIPLINA
1. ATKINS, P.W., PAULA, J., Físico-Química, 7ª Ed., 2002.
2. ATKINS, PETER; PAULA,JULIO DE; FRIEDMAN, RONALD; Quanta, Matéria e Mudança - Uma Abordagem Molecular Para a Físico-química Vol. 2 
3. CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico Química. São Paulo. Ed. Livros Técnicos e Científicos, 1986.
4. MOORE, W.J., Físico Química, São Paulo, Ed. Edgard Blucher, vol, 1 e 2, 1976. 
5. LEVINE, I.N., Physical-Chemistry, 5ª Ed., 2002.
6. ADAMIAN, R. , ALMENDRA, E., Físico- Química- Uma aplicação aos Materiais, COPPE/UFRJ, volume 1, Rio de Janeiro, 2002.
7. MACEDO, H., Físico- Química 1, Editora Guanabara, Rio de Janeiro, 1981
8. ATKINS, PETER; PAULA,JULIO DE; FRIEDMAN, RONALD; Quanta, Matéria e Mudança - Uma Abordagem Molecular Para a Físico-química Vol. 1, 2011
9. MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N., BOETTNER, D.D., BAILEY, M.B., Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 7ª ed., 2011, LTC.
10. KORETSKY, M.D., Termodinâmica para Engenharia Química, 2007, LTC.
11. VAN WYLEN, G., SONNTAG, R., BORGNAKKE, B., Fundamentos de Termodinâmica Clássica, Edgard Blucher, 4ª edição
SISTEMA DE AVALIAÇÃO
03 AVALIAÇÕES (90,0);
Lista de Exercícios e/ou Atividades - 10 pontos;
A média final será a média aritmética das 3 avaliações.
01 AVALIAÇÃO SUBSTITUTIVA (100,0) para aqueles que possuírem média final entre 3,0 e 5,9 . O Conteúdo é da avaliação com menor valor. A nota será substituída – sendo maior ou menor...
TEMA DOS TRABALHOS- CCH
P1: 
1ª LEI DA TERMODINAMICA;
2ª LEI DA TERMODINAMICA;
MAQUINAS TERMICAS;
1ª E 2ª LEI JUNTAS;
P2:
GASES IDEAIS;
GASES REAIS;
PROPRIEDADE DE MISTURA;
LIQUIDOS E SOLIDOS;
P3:
SOLUÇÕES IDEAIS;
SOLUÇÕES NÃO IDEAIS;
EQUILIBRIO DE FASES;
PROPRIEDADES COLIGATIVAS
REGRAS DO CCH
CADA GRUPO DEVERÁ CONTER ATÉ 3 PARTICIPANTES ( PODE 1, 2 OU 3) NUNCA MAIS;
DEVERÁ TER A PARTE ESCRITA – ENTREGUE JUNTO ONDE CONTEXTUALIZA O CONTEUDO APRESENTADO EM SALA E SUA SUA APLICABILIDADE NA APLICAÇÃO ( A EXPLICAÇÃO COMPLETA DA SUA SUA UTILIZAÇÃO);
CADA GRUPO APRESENTARÁ EM DIA DISTINTO- NO INICIO DA AULA. ALUNOS DO MESMO PROJETO PODERÃO RECEBER NOTAS DIFERENTES.
A NOTA SERÁ COMPOSTA: NOTA DOS ALUNOS+ NOTA QUE GRUPO ATRIBUI A SI+ NOTA DE AVALIAÇÃO DO PROFESSOR (TOTAL DE 3,0 PONTOS A SE JUNTAR A NOTA DA AVALIAÇÃO ONDE O CONTEUDO EM QUESTÃO SERÁ COBRADO).
A APLICAÇÃO PODE SER TANTO UMA PRÁTICA LABORATORIAL, COMO A UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE PARA CALCULOS REAIS.
QUEM APRESENTAR PARTE LABORATORIAL DEVERÁ ENTREGAR TAMBÉM O PLANEJAMENTO DO EXPERIMENTO: COM OBJETIVO; METODOLOGIA E MATERIAIS E METODOS.
QUEM APRESENTAR PARTE COMPUTACIONAL DEVERÁ ENTREGAR TAMBÉM O ALGORITIMO E O PROGRAMA RODANDO. DEVERÁ TER TELA DE ABERTURA OU AO MENOS MANUAL EXPLICATIVO DA MANEIRA DO CALCULO
DATAS IMPORTANTES
CONCEITOS BÁSICOS 
Sistema Aberto
Sistema Fechado
Sistema Isolado
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VIZINHANÇA
RESERVATÓRIO: CALOR 
 VOLUME
 PARTÍCULAS
DEFINIÇÕES – TIPOS DE SISTEMAS
Sistemas puros ou compostos: 
Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância. Esta substância pode
ser um elemento atômico (Silício) ou uma molécula (água pura). 
Multicomponentes apresentam várias substâncias.
Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias fases.
Reativo ou não reativo: sistemas reativos envolvem a formação ou dissociação de ligações químicas. 
Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é influenciado por energias diferentes da energia mecânica, química ou térmica.
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Silício dopado com boro é um sistema binário. Água com sál é um sistema composto constituído por água, ions Na e ions Cl.
Sistema homogêneo – água/ Sistema Heterogêneo agual liquida/gelo
A queima de petróleo é um sistema reativo, enquanto a fervura de água é um sistema não reativo.
VIZINHANÇA
RESERVATÓRIO: CALOR 
 VOLUME
 PARTÍCULAS
Fronteira 
Uma fronteira que não permite a transferência de energia sob forma de calor é uma fronteira ADIABÁTICA
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c) Processo endotérmico : 
o sistema absorve energia na forma de calor 
d) Processo exotémico : 
o sistema cede energia na forma de calor
Fronteiras adiabáticas 
a) processo endotérmico T 
b) processo exotérmico T 
Fronteiras diatérmicas
T= Cte
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FRONTEIRA FIXA OU MÓVEL
sistema
Fronteira
GAS
GAS
FRONTEIRA MÓVEL
FRONTEIRA PERMEÁVEL E IMPERMEÁVEL
EXEMPLOS
1) Se A é um sistema fechado e rígido (T=TA) e é colocado em um ambiente que se encontra (T=TB), sendo TA<TB, qual a temperatura final em A?
Como é a fronteira em relação ao Calor?
Sistema: 
			fechado (não troca massa)
			rígido (não varia volume)
Fronteira (Calor)...............Diatérmica
			...........Adiabática
T
tempo
TA
TB
Parede adiabática
Parede diatérmica
Mas sempre que o sistema for adiabático a temperatura do sistema se manterá constante?
Respondam para a aula que vem!!!!!
Sistema : simples e composto
Simples: sistema não possui fronteira interna adiabática, rígida ou impermeável a quaisquer dos componentes e é composto de subsistemas homogêneos, isotrópicos, eletricamente neutro e com efeitos de superfície desprezível e não susceptível a ação de campos externos externos ou forças inerciais;
Composto: dois ou mais subsistemas onde existe uma fronteira que separe estes subsistemas.
 Existem restrições internas entre os subsistemas
2) Considere como sistema um Reator com H2(g) e O2(g) a temperatura ambiente, que no caso 
a) sem catalisador;
B) com catalisador
Avalie se o sistema é simples ou composto 
Considerações: O que deve acontecer naturalmente? Reação química
sistema: reator + H2+O2
 Fronteira : externa: fixa
 Interna: barreira de volume? Não
 barreira de massa? Não
 Barreira de energia.....sim.....alta energia de ativação
b) sistema: reator + H2+O2+ catalisador
 Fronteira : externa: fixa
 Interna: barreira de volume? Não
 barreira de massa? Não
 Barreira de energia.....não.
3) Um tanque fechado contém água, óleo e ar a temperatura ambiente. Se o sistema é sintetizado pela adição de água e então adicionado o óleo sobre a agua. Este sistema é simples ou composto?
Considerações: O que deve acontecer naturalmente? Transferência de massa (água) 
Sistema: tanque + ar + agua + óleo
Fronteira: externa: rígida e impermeável
 interna: barreira de energia? Não
 Barreira de volume? Não
 Barreira de massa?
 
SISTEMA E VOLUME DE CONTROLE
Volume de controle
Fonte: http://www.potto.org/fluidMech/mass/massCV.png; 
SISTEMA
VOLUME DE CONTROLE
FONTE: Introdução a Termodinamica (Paulo Seleghim)
https://www.youtube.com/watch?v=MnDli9Ql3EY&t=18s
ESTADOS TERMODINAMICOS
Quando um sistema está em equilíbrio – isto é, suas propriedades termodinâmicas não variam com o tempo, diz-se que ele está em um determinado Estado. O estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas variáveis termodinâmicas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de variáveis.
PROPRIEDADES
Cada uma das propriedades num 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
Mudança de Estado (transformação): completamente definida quando os estados inicial e final são especificados.
Propriedades ® Grandezas Físicas – quantidades macroscópicas acessíveis a medidas experimentais direta ou indiretamente e relacionadas com o estado microscópico do sistema. Ex: Pressão P, Temperatura T, volume V, massa m. 
PROPRIEDADES DO SISTEMA
FONTE: Introdução a Termodinamica (Paulo Seleghim)
https://www.youtube.com/watch?v=MnDli9Ql3EY&t=18s
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PROPRIEDADES DO SISTEMA
PRESSÃO;
TEMPERATURA;
VOLUME;
DENSIDADE;
FORMAS DE ENERGIA;
PROPRIEDADES DOS FLUIDOS
As aplicações da TD Clássica estão ligadas com as propriedades macroscópicas dos fluidos e suas relações com as condições mensuráveis de T,P,z
Não é levado em conta campo magnético ou eletrostático, ou campo gravitacional, a amostra é estacionária, não é sujeita a força cisalhante e os efeitos de superfície são desprezados
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TEMPERATURA
O que é temperatura?
TEMPERATURA
DILATAÇÃO TÉRMICA;
RESISTENCIA TERMICA;
GASES
QUANTO MENOR A DENSIDADE DOS GASES, MAIS SIMPLES RELAÇÃO.
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Unidades de Pressão
	Nome		Símbolo		Valor
pascal	 		1 Pa		1 N m-3, 1 kg m-1 s-2
bar			1 bar		105 Pa
atmosfera		1 atm		101 325 Pa
torr			1 Torr		(101 325/760) Pa = 133,32... Pa
milímetros de 		1 mmHg	133,322...kPa
mercúrio
libra por 		1 psi		6,894 757...kPa
polegada
quadrada
PRESSÃO
Força / Área 		[SI] = Pa
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PRESSÃO
 Pabs = Pbar + Pman para Pman > 0
Pabs= Pbar - Pman para Pman < 0 (vácuo)
ESTADOS DO SISTEMA
Em cada fase uma substância pode existir, por exemplo, em várias pressões e temperaturas, ou na linguagem da termodinâmica em vários estados
F = N – P + 2
F: graus de Liberdade;
N: numero de componentes;
P: número de fases
O estado de equilíbrio para sistema simples, fechado é completamente especificado pelas massas das espécies químicas a partir da qual o sistema foi formado mais 2 outras propriedades independentemente variáveis (Teorema de Duhem).
F = C – P + 2
P1 sat
T1
T1 sat
FASE E SUBSTÂNCIA PURA
FASE 
Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física.
Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa.
Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor.
Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma única fase. 
SUBSTÂNCIA PURA 
É invariável em composição química e é uniforme.
Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima. 
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Estado de equilíbrio: o estado sem tendência de sair espontaneamente
Processo: mudança de estado de equilíbrio
Processo reversível: aquele que o sistema é mantido no estado de equilíbrio ao longo do processo
Sistema de uma fase em um estado de equilíbrio interno: significa que é homogêneo, propriedades macroscópicas uniformes
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PROPRIEDADES E EQUILIBRIO
PROPRIEDADE TEM O MESMO VALOR PARA O SISTEMA TODO – SISTEMA EM EQUILIBRIO
Estado de equilíbrio: o estado sem tendência de sair espontaneamente
Processo: mudança de estado de equilíbrio
Processo reversível: aquele que o sistema é mantido no estado de equilíbrio ao longo do processo
Sistema de uma fase em um estado de equilíbrio interno: significa que é homogêneo, propriedades macroscópicas uniformes
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UM SISTEMA EM DOIS ESTADOS DIFERENTES.
m = 2 kg
T2 = 20 oC
V2 = 3 m3
m = 2 kg
T1 = 20 oC
V1 = 1.5 m3
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REGRA DAS FASES DE GIBBS
F = C – P + 2
F free parameters
C components
P phases
So for saturated water vapor we have one component, two phases and one free parameter. That is if T is known we know the vapor pressure. If we know the pressure we know the temperature.
For supersaturated steam we have one component, one phase and we can vary P and T and these will determine the specific volume or density, internal energy, enthalpy, etc.
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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. 
PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades. 
ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o tempo. 
CICLO TERMODINÂMICO: Sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. 
Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência. 
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Algumas funções de estado são temperatura, pressão, volume, energia, etc.
Existem infinitos caminhos para levar um sistema da temperatura TA para a temperatura TB
- Para definir a temperatura do sistema no ponto B não é necessário especificar a forma como se chegou lá.
Para calcular a variação da temperatura ao passar do estado A para o estado B precisamos saber apenas a diferença de temperatura nos dois estados citados. Assim: delta T = Tfinal – T inicial
MÉTODO PARA RESOLVER UM PROBLEMA
Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são: 
1 - Definição do sistema; 
2 - Identificação das interações relevantes com a vizinhança.
3 - Estabelecer: 
O que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras; 
O que é procurado: resumir o que é procurado; 
4 - Esquema e dados:
Definir o sistema; identificar a fronteira; 
Anotar dados e informações relevantes; 
Hipóteses; 
Análise: feita sobre as equações 
(conservação da massa, conservação da energia, segunda lei da termodinâmica); 
Comentários: interpretar. 
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BIBLIOGRAFIA DA AULA
1. CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico Química. São Paulo. Ed. Livros Técnicos e Científicos, 1986. CAP 1.
2. MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N., BOETTNER, D.D., BAILEY, M.B., Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 7ª ed., 2011, LTC. CAP 1 e 3.
3. KORETSKY, M.D., Termodinâmica para Engenharia Química, 2007, LTC. CAP 1.
4. VAN WYLEN, G., SONNTAG, R., BORGNAKKE, B., Fundamentos de Termodinâmica Clássica, Edgard Blucher, 4ª edição. CAP 1.
5. Aula Termodinamica https://www.youtube.com/watch?v=sHL_4MvOrTg;
6. Paulo Seleghim. https://www.youtube.com/watch?v=MnDli9Ql3EY&t=18s
BIBLIOGRAFIA
1. ATKINS, P.W., PAULA, J., Físico-Química, 7ª Ed., 2002.
2. ATKINS, PETER; PAULA,JULIO DE; FRIEDMAN, RONALD; Quanta, Matéria e Mudança - Uma Abordagem Molecular Para a Físico-química Vol. 2 
3. CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico Química. São Paulo. Ed. Livros Técnicos e Científicos, 1986.
4. MOORE, W.J., Físico Química, São Paulo, Ed. Edgard Blucher, vol, 1 e 2, 1976. 
5. LEVINE, I.N., Physical-Chemistry, 5ª Ed., 2002.
6. ADAMIAN, R. , ALMENDRA, E., Físico- Química- Uma aplicação aos Materiais, COPPE/UFRJ, volume 1, Rio de Janeiro, 2002.
7. MACEDO, H., Físico- Química 1, Editora Guanabara, Rio de Janeiro, 1981
8. ATKINS, PETER; PAULA,JULIO DE; FRIEDMAN, RONALD; Quanta, Matéria e Mudança - Uma Abordagem Molecular Para a Físico-química Vol. 1, 2011
9. MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N., BOETTNER, D.D., BAILEY, M.B., Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 7ª ed., 2011, LTC.
10. KORETSKY, M.D., Termodinâmica para Engenharia Química, 2007, LTC.
11. VAN WYLEN, G., SONNTAG, R., BORGNAKKE, B., Fundamentos de Termodinâmica Clássica, Edgard Blucher, 4ª edição
PARA PROXIMA AULA
O QUE VOCE ENTENDE POR TEMPERATURA?
E PRESSÃO?
QUAIS AS LEIS DA TERMODINAMICA VOCE CONHECE?
DE EXEMPLOS DO DIA-DIA ONDE VOCE PRESENCIA AS LEIS DA TERMODINAMICA REGENDO O PROCESSO.