INTRODU--O E DEFINI--ES

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UTFPR – Termodinâmica 1
Conceitos Introdutórios e Definições
Princípios de Termodinâmica para Engenharia
 Capítulo 1
				
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Conceitos Introdutórios e Definições
Por que estudar Termodinâmica ?
Porque ela está presente em tudo !!!
Na Produção de Energia ...
Nas altas tecnologias ...
No seu carro ...
Na sua casa ...
Até mesmo ... em você !!!
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Conceitos Introdutórios e Definições
Objetivos 
Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica aplicada à engenharia;
Para a engenharia, geralmente se está interessado em estudar sistemas e como eles interagem com suas vizinhanças.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Definindo Sistemas
Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar;
Vizinhanças é tudo aquilo que é externo ao sistema;
O sistema é diferenciado de sua vizinhança por uma fronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento. 
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Conceitos Introdutórios e Definições
Exemplo de Sistema
Sistema
Fronteira
Vizinhança
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Conceitos Introdutórios e Definições
Tipos de Sistema
Sistema fechado é definido quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo. Também chamado massa de controle. Um sistema fechado que não interage com suas vizinhanças é chamado sistema isolado;
Volume de controle é definido como uma região no espaço através do qual a massa pode escoar. Também chamado sistema aberto;
Fronteira também é chamada de superfície de controle. 
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Conceitos Introdutórios e Definições
Exemplos de tipos de sistemas
Sistema fechado
(massa de controle)
Volume de controle
(sistema aberto)
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Conceitos Introdutórios e Definições
Termodinâmica Clássica
Se preocupa com o comportamento geral ou global;
Também chamada de visão macroscópica; 
Não utiliza os modelos da estrutura da matéria em nível molecular e atômico;
Oferece uma abordagem mais direta para a maioria do problemas;
Utiliza uma complexidade matemática bem menor.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Termodinâmica Estatística
Se preocupa diretamente com a estrutura da matéria;
Conhecida como abordagem microscópica;
Estuda o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relacionar isto com a abordagem macroscópica.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Propriedade
Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para o qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o conhecimento da história do sistema.
A temperatura, o volume,
e a massa das pedras de
gelo são exemplos de 
propriedades.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Estado e Processo
Estado é uma condição de um sistema
descrito por suas propriedades
Processo
Processo é quando uma das propriedades
é alterada, ou seja, o estado muda
Tempo
Se nenhuma propriedade muda com a variação do
tempo: o sistema está em regime permanente
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Conceitos Introdutórios e Definições
Ciclo termodinâmico
Ciclo termodinâmico é uma seqüência 
de processos que se inicia e termina em 
um mesmo estado
Processo
Processo
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Conceitos Introdutórios e Definições
Propriedade ou não-Propriedade ?
Uma quantidade é uma propriedade se, e somente se, sua mudança em valor entre dois estados é independente do processo;
Ou seja, só depende dos estados extremos e não dos detalhes do processo.
Propriedade:
Massa
Não-propriedade:
Calor
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Conceitos Introdutórios e Definições
Propriedades extensivas e intensivas
Uma propriedade é extensiva se o seu valor para um sistema é a soma de todas as partes que o compõem;
Uma propriedade intensiva é aquela que varia ao longo do sistema em determinado momento.
A massa total é a soma
das massas das partes
A temperatura é uma 
para cada parte
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Conceitos Introdutórios e Definições
Fase e substância
Fase é uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo em composição química e em estrutura física;
Substância pura é aquela cuja a composição química é uniforme e invariável.
Copo com gelo e água:
Duas fases;
Uma substância pura.
Copo com água e óleo:
Duas fases;
Um estado da matéria.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Equilíbrio
É uma condição de estabilidade utópica; 
Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças e não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Processos Reais
Em processos reais, ou de não-equilíbrio, as propriedades variam com o tempo e o espaço, às vezes, caoticamente;
Pode-se, por uma aproximação infinitesimal do processo, obter-se o que é chamado de processo em quase-equilíbrio (ou quase-estacionário)
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Conceitos Introdutórios e Definições
Sistemas de Unidades
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Conceitos Introdutórios e Definições
Volume específico
Utilizando o conceito de meio contínuo, ou seja, a hipótese de que a matéria é uniformemente distribuída ao longo de uma região, tem-se:
Massa específica, massa por 
unidade de volume [kg/m³]
Menor volume para o qual
vale a hipótese do contínuo
Volume específico, volume por 
unidade de massa [m³/kg]
Volume ocupado por um kmol
da substância [m³/kmol]
Peso molecular da
substância [kg/kmol]
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Conceitos Introdutórios e Definições
Pressão
Com a hipótese do meio contínuo, considera-se uma pequena área A. O fluído de um dos lados desta área exerce um força compressiva. E o do outro lado exerce uma força igual. Assim tem-se: 
Pressão
1 pascal = 1 N/m²
1 KPa = 10³ N/m²
1 bar = 105 N/m²
1 MPa = 106 N/m²
1 atm = 1,01325x105 N/m²
Força de compressão
Menor área para a qual
vale a hipótese do contínuo
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Conceitos Introdutórios e Definições
Medindo Pressão
Manômetro
Sensor Piezoelétrico
Tubo Bourdon
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Conceitos Introdutórios e Definições
Conceitos de temperatura
Imagine dois corpos um mais quente que o outro, pode-se então definir:
Interação térmica, quando os dois corpos trocam calor;
Equilíbrio térmico, quando não há troca de calor;
Se dois corpos estão em equilíbrio, logo eles possuem a mesma temperatura;
Processo adiabático, quando o processo é isolado e não interage com suas vizinhanças;
Processo isotérmico, quando o processo ocorre a temperatura constante.
Calor
Calor
Calor
Temperatura
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Conceitos Introdutórios e Definições
Medindo Temperatura
A lei zero da termodinâmica diz que se dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si. Este terceiro corpo é usualmente um termômetro, que utiliza uma propriedade termométrica para medir a temperatura de um dado corpo.
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Conceitos Introdutórios e Definições
Termômetros
Termômetro
de bulbo
Termômetro
de gás
Termopar
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Conceitos Introdutórios e Definições
Escalas de temperatura
As escalas são definidas por um valor numérico associado a um ponto fixo padrão;
A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da água como padrão fixo;
O ponto triplo da água é 273,16 kelvins, e o intervalo entre o ponto de gelo e o ponto de vapor d’água é 100 K;
A escala de gás é derivada destes conceitos, e leva em consideração a pressão do gás de um termômetro de gás, conforme a relação:
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Conceitos Introdutórios e Definições
Escalas Celsius
Ponto de solidificação
Temperatura de vapor
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Conceitos Introdutórios e Definições
Escala Rankine e Fahrenheit
Escala Rankine
Escala Fahrenheit
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Conceitos Introdutórios e Definições
Comparação das Escalas
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Conceitos Introdutórios e Definições
Projeto de Engenharia e Análise
Um projeto de engenharia
é um processo de tomada de decisão, que considera inúmeros fatores condicionados para se resolver um problema, ou atender a uma necessidade ou oportunidade;
Para se realizar uma análise termodinâmica é preciso a definição do sistema e das interações com suas vizinhanças. Também é preciso criar um modelo de engenharia, que é uma representação simplificada do problema. 
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Conceitos Introdutórios e Definições
Metodologia para solução de problemas
DADO : Enuncie de forma concisa em suas próprias palavras o que se conhece;
PEDE-SE : Enuncie concisamente em suas próprias palavras o que deve ser determinado;
DIAGRAMAS E DADOS FORNECIDOS : Desenho um esboço do problema. Veja se é um sistema fechado ou volume de controle, identifique as fronteiras. Liste todos os valores fornecidos e antecipe alguns que podem ser necessários;
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Conceitos Introdutórios e Definições
Metodologia para solução de problemas
HIPÓTESES : Liste todas as hipóteses simplificadoras e idealizações feitas a fim de tornar o problema viável;
ANÁLISE : Trabalhe o máximo possível com as equações antes de inserir os dados numéricos. Identifique as tabelas, gráficos ou equações para as propriedades que forneçam os valores desejados. Verifique cuidadosamente se o sistema de unidades é consistente. Finalmente pondere se os valores finais e sinais algébricos são razoáveis. 
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Conceitos Introdutórios e Definições
Referências
MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.