Módulo I - Conceitos Fundamentais e Sistemas de Unidades - UNIP Online

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Módulo I – Conceitos Fundamentais e Sistemas de Unidades 
 
 
Introdução 
 
A termodinâmica é a ciência que trata da energia. Apesar de facilmente 
podermos entender a energia é difícil defini-la com exatidão. Podemos disse 
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 energia pode ser transformada de uma 
forma para a outra, mas não pode ser criada nem destruída, sendo que seu 
balanço permanece constante. 
Os princípios que regem a termodinâmica são suas Leis, que surgiram 
na década de 1850, em decorrência dos estudos de Willian Rankine, Rudolph 
Clausis e Lord Kelvin. Hoje a termodinâmica desenvolvida por décadas e que 
analisa os processos de maneira macroscópica é chamada de Termodinâmica 
Clássica, enquanto que uma abordagem mais elaborada, com base no 
comportamento de partículas individuais é chamada de Termodinâmica 
Estatística. A abordagem estatística da termodinâmica é bem sofisticada e foge 
do escopo de um curso básico de graduação, então iremos nesse estudo nos 
basear nos conceitos da Termodinâmica Clássica. 
A termodinâmica é encontrada em diversos processos presentes na 
Engenharia e no dia-a-dia também. Dentre eles podemos citar o funcionamento 
de sistemas de aquecimento e condicionamento de ar, refrigerador, panela de 
pressão, chuveiro, automóveis, aviões, coletores de energia solar, usinas 
térmicas, nucleares e até mesmo a transformação de energia de nossas 
células e a transferência de calor para manter o corpo em temperatura 
constante. 
 
 
Unidade e Dimensões 
 
Para podermos analisar qualquer parâmetro que envolva a transferência 
de energia ou qualquer outra grandeza física é importante caracterizar suas 
dimensões, sendo que sua magnitude é dada pelas unidades. As dimensões 
são divididas em primárias ou fundamentais (comprimento, L; massa, m; tempo 
t; temperatura, T) e secundárias ou derivadas (velocidade, v; energia, E; etc). 
Na ciência atual existem dois conjuntos de unidades em uso: o Sistema 
Inglês e o Sistema Internacional As principais unidades são mostradas na 
tabela a seguir: 
 
Grandeza 
Fundamental 
Sistema Internacional Sistema Inglês 
Unidade Símbolo Unidade Símbolo 
Comprimento metro m pés ft 
Massa quilograma kg libra-massa lbm 
Tempo segundo s segundo s 
Temperatura kelvin K rankine R 
Força newton N libra-força lbf 
Pressão pascal Pa 
libra-força por 
polegada quadrada 
psi 
Energia joule J British Thermal Unit BTU 
Potência watt W BTU por hora BTU/h 
 
Outra parte fundamental é a utilização de prefixos para as unidade como 
apresentada na tabela a seguir: 
 
Prefixos padrão em unidades do Sistema 
Internacional 
Múltiplos Prefixo Símbolo 
1012 tera T 
109 giga G 
106 mega M 
103 quilo k 
102 hecto h 
10-2 centi c 
10-3 mili m 
10-6 micro µ 
10-9 nano n 
10-12 pico p 
 
 
 
 
 
Conceitos Fundamentais 
 
Sistema: quantidade de matéria ou região no espaço selecionada para 
estudo. 
Vizinhança: massa ou região fora do sistema. 
Fronteira: superfície real ou imaginária que separa o sistema da 
vizinhança. Essa pode ser fixa ou móvel. A fronteira não tem massa, nem 
ocupa volume no espaço. 
 
 
 
Sistema fechado: possui uma quantidade fixa de massa que não pode 
atravessar a fronteira, porém permite a passagem de energia na forma de calor 
e trabalho. 
Sistema isolado: não permite a passagem de massa nem energia pela 
fronteira. 
 
 
 
Sistema aberto: também conhecido com Volume de Controle, permite o 
fluxo de massa e de energia pela fronteira, que neste caso recebe o nome de 
superfície de controle. 
 
 
 
Fase: Matéria que tem a mesma composição química em toda sua 
extensão. 
Propriedade: Qualquer grandeza que descreve um sistema. 
Estado: condição em que se encontra o sistema, caracterizada pelo 
conjunto de propriedades do mesmo. 
Sistema simples: Aquele cujo estado é definido por apenas duas 
propriedades. 
Processo: mudança de um estado para outro, isto é, quando qualquer 
uma das propriedades de um sistema se altere. Porém, se nenhuma 
propriedade se altera com o tempo dizemos que o sistema está em regime 
permanente. 
Propriedade extensiva: Valor depende da quantidade de matéria do 
sistema, é uma propriedade aditiva. (massa, volume, energia, etc). 
Propriedade intensiva: Valor independe da quantidade de matéria. 
Pode variar ponto a ponto, isto é, podem ser função da posição é do tempo 
(volume específico, pressão, temperatura, etc). 
Estado de Equilíbrio: condição em que o sistema não sofre mudanças 
espontâneas, mesmo submetidas a pequenas perturbações. 
Processo quase estático ou de quase equilíbrio: é quando um 
sistema infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio em todos os 
momentos, isto é, o processo é suficientemente lento que permite ao sistema 
ajustar-se internamente para que as propriedades de uma parte do sistema não 
mudem mais rapidamente do que as propriedades das outras partes. 
Contínuo: apesar de a matéria ser formada por moléculas, e 
consequentemente, apresentar espaços vazios entre os átomos é conveniente 
para o estudo de a termodinâmica clássica considerar a matéria como um 
contínuo. 
Massa específica: é a massa por unidade de volume. Ela depende da 
temperatura e da pressão para os gases, sendo proporcional a pressão e 
inversamente proporcional a temperatura. Para os sólidos e líquidos, 
substâncias incompressíveis, a variação com a pressão é praticamente 
desprezível, dependendo apenas da temperatura. 
 
 
 
 
 
 
Volume específico: é o inverso da massa específica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Densidade ou densidade relativa: é a razão entre a massa específica 
de uma substância e a massa específica de um padrão conhecido como a água 
ou o ar. Este valor é adimensional. 
 
 
 
 
 
 
Peso específico: é o peso de uma unidade de volume de uma 
substância. 
 
 
onde g é a aceleração da gravidade 
 
Processo isotérmico: processo que ocorre a temperatura constante. 
Processo isobárico: processo que ocorre a pressão constante. 
Processo isométrico ou isocórico: processo que ocorre a volume 
constante. 
Ciclo termodinâmico: sucessão de processos por meio dos quais o 
sistema retorna ao estado inicial. 
 
 
Lei Zero da Termodinâmica 
 
A Lei Zero da Termodinâmica foi formulada por R.H. Fowler em 1931 e 
declara: 
“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles 
também está em equilíbrio térmico entre sí”. 
 
 
Temperatura e suas Escalas de Medida 
 
As escalas de temperatura usadas no sistema internacional são o 
Celsius (°C) em homenagem ao astrônomo sueco A. Celsius (1702-1744) e o 
Kelvin (K) em homenagem ao Lord Kelvin (1824-1907). Já no sistema inglês as 
escalas usadas são o Fahrenheit (°F) em homenagem ao fabricante de 
instrumentos alemão G. Fahrenheit (1686-1736) e o Rankine (R) em 
homenagem a William Rankine (1820-1872). 
As escalas Celsius e Fahrenheit foram medidas para a água e, portanto 
dependem de suas propriedades. Já para a termodinâmica é interessante 
utilizar as escalas Kelvin e Rankine porque as mesmas independem das 
propriedades da substância que está sendo medida. 
É possível relacionar as diferentes escalas pelas equações a seguir. 
 
T(K) = 273,15 + T(°C) 
T(°F) = 32 + 1,8 T(°C) 
T(°F) = T(R) – 459,67 
T(R) = 1,8 T(K) 
 
 
Pressão 
 
Pressão é a força normal exercida por um fluido (gás ou líquido) por 
unidadede área e é dada pela expressão: 
 
 
 
 
 
 
Outras unidades de pressão são o bar, atmosfera e quilograma-força por 
centímetro quadrado. 
 
1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa = 100 kPa 
1 atm = 101325 Pa = 101,325 kPa = 1,01325 bar 
1 kgf/cm2 = 9,807 N/cm2 = 9,807x104 N/m2 = 9,087x104 Pa = 0,9807 bar = 
0,9679 atm 
A pressão real é chamada absoluta e é medida a partir do zero absoluto, 
vácuo. Porém a maioria dos medidores de pressão é calibrada para medir a 
partir da pressão atmosférica, sendo essa a pressão manométrica. 
 
Pabs = Pman + Patm 
 
A pressão varia com a profundida, isto é, com a coluna de fluido que 
está sobre o ponto medido. 
 
Pman = ρgh 
Pabs = ρgh + Patm 
 
Exemplo 1) Durante uma viagem para a Disney você apresentou um mal-estar 
e foi levado para o ambulatório do parque. Chegando lá o médico realizou 
diversas avaliações e lhe informou que estava com uma temperatura corporal 
de 96,8°F. Qual sua temperatura em Celsius? Se você estivesse obtendo a 
temperatura em escalas termodinâmicas quanto seria em Kelvin e Rankine? 
 
Solução: 
T(°F) = 32 + 1,8 T(°C) 
96,8 = 32 + 1,8 T(°C) 
T(°C) = 36°C 
 
T(K) = 273,15 + T(°C) 
T(K) = 273,15 + 36 
T(K) = 309,15K 
 
T(R) = 1,8 T(K) 
T(R) = 1,8 (309,15) 
T(R) = 556,47R 
 
 
Exemplo 2) Medidas de pressão através de manômetros de coluna ainda são 
utilizados em diversos processos industriais. Porém, vários aspectos devem ser 
observados para que essas medidas saiam com precisão e exatidão, como a 
real pressão atmosférica do local. Analise o seguinte caso: um tanque fechado 
é pressurizado a ar e possui um manômetro de colunas acoplado ao tanque, 
que está localizado em uma montanha a uma altitude de 1400 m, onde a 
pressão atmosférica é de 85,6 kPa. Determine a pressão do ar no tanque se h1 
= 0,1 m, h2 = 0,2 m, e h3 = 0,35 m. Dados: ρágua = 1000 kg/m
3; ρóleo = 850 
kg/m3; ρmercúrio = 13600 kg/m
3. 
 
 
Solução: 
 
 
 ( ) 
 
 
 
 
[( 
 
 
 ) ( 
 
 
 )
 ( 
 
 
 )] 
 
 
 
 
1 kPa = 1000 N/m2 e 1 N = 1 kg m/s2 
Portanto 1 kPa = 1000 kg/ms2 
 
 
 
 (
 
 
 
 
) 
 
 
 
Exercícios Propostos 
1) Uma maneira de sabermos qual a altura de um prédio sem que seja 
possível a medida direta é através da diferença de pressão no ponto 
superior e inferior do prédio. Com um barômetro foram lidas as seguintes 
pressões: 96,0 e 98,0 kPa na parte superior e inferior respectivamente. Se 
considerarmos a massa específica do ar como 1,0 kg/m3, a altura do prédio 
será: 
a) 17 m 
b) 20 m 
c) 170 m 
d) 204 m 
e) 252 m 
 
2) Em muitos processos industriais o valor absoluto da temperatura é 
irrelevante, sendo que somente a variação de temperatura entre o início e o 
final do processo é que deve ser monitorado. Sabendo que durante um 
determinado processo a temperatura sofre o aquecimento de 20°C, 
determine a opção equivalente. 
a) 20°F 
b) 52°F 
c) 36 K 
d) 36 R 
e) 293 K 
 
3) Panela de pressão é uma dos utensílios domésticos surgidos que utilizam 
os conceitos da termodinâmica. O motivo de uma panela de pressão 
cozinhar mais rápido do que uma panela comum é por manter a pressão e 
temperatura interna mais elevada. Porém existem diversos casos de 
panelas de pressão que explodem por elevarem muito a pressão interna. 
Para que isso não ocorra há uma válvula no meio da tampa que libera a 
pressão assim que ela atinge um determinado valor. Determine a massa da 
válvula de uma panela cuja a pressão manométrica de operação seja de 
100 kPa e tenha uma abertura de seção transversal de 4 mm2. 
Dado: Patm = 101 kPa 
Resposta: 0,0408 kg 
 
4) Tubos de venturi são muito utilizados em processos industriais nas 
tubulações para medir a velocidade e, consequentemente, a vazão de um 
líquido. Se em um processo um fluido escoa através de um medidor de 
venturi que suporta colunas de água que diferem em 10 in de altura, 
determine a diferença de pressão entre os pontos a e b, em lbf/in2. A 
pressão irá aumentar ou diminuir em direção do escomaneto? 
Dados:Patm = 14,7 lbf/in
2; v = 0,01606 ft3/lb; g = 32,0 ft/s2 
 
Resposta: ΔP = 0,36 lbf/in2; aumentar 
 
5) Os tubos de pitot são equipamentos usados em aviões capazes de medir a 
velocidade da aeronave pela diferença de pressão entre o ar ambiente e a 
entrada do tubo de pitot. Essa diferença é obtida pela altura da coluna de 
líquido presente no tubo. Um avião que está a uma altitude de 3000 m 
apresenta uma leitura de pressão absoluta de 58 kPa quando sobrevoa 
uma determinada cidade. Calcule a pressão atmosférica na cidade em kPa 
e em mmHg. 
Dados: ρar = 1,15 kg/m
3; ρmercúrio = 13600 kg/m
3 
Resposta: 91,8 kPa e 688 mmHg 
 
6) Não é somente na indústria que encontramos exemplos da termodinâmica. 
Em qualquer hospital ou pronto socorro que esteja ocorrendo uma infusão 
intravenosa seus conceitos estão presentes. Geralmente o soro, ou outra 
substância presente na bolsa, escoa para a veia através da gravidade, 
desde que a bolsa contendo o líquido esteja numa altura suficiente para 
contrapor a pressão sanguínea. Se for observamos que o fluido para de 
escoa quando a parte superior do fluido na bolsa encontra-se a 1,2 m acima 
do nível do braço, qual é a pressão manométrica do sangue? Se a pressão 
manométrica do fluido no nível do braço precisar ser de 20 kPa para 
permitir o escoamento a uma taxa suficiente, determine a altura que a parte 
superior do fluido deve ser colocada. 
Dado: ρ = 1020 kg/m3 
Resposta: 12 kPa; 2 m