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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmica
Capítulo 1Capítulo 1
Alguns Conceitos e Definições
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA SumárioSumário
• Histórico
• Princípios Básicos• Princípios Básicos
– Máquina a Vapor
– Máquinas Térmicasq
• Definição de Termodinâmica
– Importância
– Rendimentos aproximados
• Volume de Controle
d d â• Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica
– Medindo a Temperatura
Escalas de Temperatura– Escalas de Temperatura
• Considerações Finais
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Calor e Calor e TemperaturaTemperatura
Enfoque Enfoque HistóricoHistóricoqq
• Platão (427 a.C.), Aristóteles (384 a.C.): Fogo contido 
nas substâncias combustíveis;
• Roger Bacon (1214): Movimento interno das partículas 
do corpo como sendo a causa do calor;
• Kepler (1571): Aceitava a idéia de Bacon;• Kepler (1571): Aceitava a idéia de Bacon;
• Galileu (1564) e Telesius (1508), consideravam o calor 
como uma espécie de fluido;
• Francis Bacon (1561), Boyle (1627): Consideravam o 
calor como um movimento vibratório das partículas;
• Bernoulli (1700) Euler(1707): considerava que o calor• Bernoulli (1700), Euler(1707): considerava que o calor 
era gerado pelo movimento das partículas de um 
corpo;
Até lt d i í i d é l XVII E i tê i d• Até por volta do início do século XVII: Existência de 
duas correntes que procuram explicar o calor – Fluido e 
movimento de partículas;
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Princípio Básico da Princípio Básico da 
Máquina a VaporMáquina a Vaporq pq p
• Heron de Alexandria (130 A.C.)
• Thomas Savery (1698) – 1º Máquina
• Thomas Newcomen (1705) – Aperfeiçoamento 
• James Watt (1763) – Primeiro Protótipo
• James Watt (1782) Patenteou o modelo• James Watt (1782) – Patenteou o modelo 
padrão da máquina de vapor moderna.
• Revolução Industrial final do século XVIII.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas TérmicasMáquinas Térmicasqq
Máquina de Savery (1698) Máquina de Newcomen
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas TérmicasMáquinas Térmicasqq
1º Máquina de WATT(1763) 2º Máquina de WATT (1782)q ( ) q ( )
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definição de TermodinâmicaDefinição de Termodinâmicaçç
• Termodinâmica estuda a as relações de transferências de 
energia entre um sistema e seu meio ambiente e as variaçõesenergia entre um sistema e seu meio ambiente e as variações 
resultantes na temperatura ou mudanças de estado.
• Propriedades da matéria e correlação entre propriedadesPropriedades da matéria e correlação entre propriedades 
mecânica de átomos e moléculas.
• “A ciência da energia e da entropia”g p
• “A ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas 
propriedades das substâncias que sustentam uma relação 
com trabalho e calor”
• “A ciência do calor”
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ImportânciaImportânciapp
Produto Interno Bruto consumo de energia
~
• O consumo de energia do mundo dobra
(PIB)
g
per capita
~
• O consumo de energia do mundo dobra 
a cada 50 anos!!
• Reservas geração e racionalização da energia é umaReservas, geração e racionalização da energia é uma 
questão estratégica.
• Desafios para a engenharia:Desafios para a engenharia:
– aperfeiçoamento do uso fontes convencionais de energia
– uso mais intenso das fontes renováveisuso mais intenso das fontes renováveis
– reestruturação do uso da energia (recuperação de energia)
– Aumento do rendimento
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RendimentoRendimento
ÚtilEnergia
=η
GastaEnergia
=η
• Rendimentos típicos de algumas máquinas e d e tos t p cos de a gu as áqu as
térmicas cíclicas que convertem energia 
química em mecânica:química em mecânica:
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximadosRendimentos aproximadospp
Máquina Térmica
Condições de 
Operação
Rendimento
(%)Máquina Térmica Operação (%) 
Motor de Automóvel a 
gasolina (velas)
ótima
estável (100 km/h)
tá l (75 k /h)
25
18
12estável (75 km/h) 12
Motor de caminhão (diesel) carga plena
meia carga
35
31
Locomotiva (diesel) ótima 30
Turbina a gás (75 kW)
a) com regeneração ótima 16a) com regeneração
b) sem regeneração
ótima
ótima
16
12
Turbina a gás ( >7500 kW)
a) com regeneração ótima 34a) com regeneração
b) sem regeneração
ótima
ótima
34
25
Planta a vapor ( >35000 kW ) ótima 41
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximadosRendimentos aproximadospp
C i C i (%)Conversor Tipo de Conversão Rendimento (%) 
Forno doméstico Química a Térmica 70
Bateria Química a Elétrica 70Bateria Química a Elétrica 70
Bateria seca Química a Elétrica 90
Célula de combustível Química a Elétrica 70
Motor elétrico Elétrica a Mecânica 90
Lâmpada fluorescente Elétrica a Radiante 21
Elét i R di tLâmpada incandescente Elétrica a Radiante 7
Foguetes Química a Cinética 45
Motores de Avião (jato) Química a Cinética 40
Turbina Elétrica Potencial a Mecânica 95
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Massa de ControleMassa de Controle
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de ControleVolume de Controle
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de ControleVolume de Controle
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições TermodinâmicasDefinições Termodinâmicasçç
• Sistema: 
O que quer que se encontre numa dada região do 
espaço rodeada por uma superfície real ou 
conceptual (fronteira).
• Vizinhança do sistema:Vizinhança do sistema: 
Região do espaço exterior ao sistema, que podem 
influenciar o comportamento ou condição doinfluenciar o comportamento ou condição do 
sistema (pode ser isolado do sistema). 
U i• Universo: 
União sistema-vizinhança.
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CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DefiniçõesDefinições
Tipos de SistemasTipos de Sistemaspp
• Sistema Aberto: 
“T i té i i t ”“Troca energia e matéria com o meio externo”
Ex: “lata de refrigerante aberta”
• Sistema Fechado: 
“Troca energia, mas não troca matéria”Troca energia, mas não troca matéria
Ex: “lata de refrigerante fechada”
Si t I l d• Sistema Isolado: 
A fronteira do sistema é totalmente 
i á l à i à é iimpermeável à energia e à matéria.
Ex: Uma garrafa térmica perfeitag p
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de ControleVolume de Controle
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Localização do Localização do 
Volume de ControleVolume de Controle
??
9 Potência conhecida9 Potência conhecida
~Determinar quanto 
tempo o 
compressor precisa 
éoperar até que a 
pressão no tanque 
d ése reduza até um 
determinado valor.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Localização do Localização do 
Volume de ControleVolume de Controle
??
9 Entrada e saída de9 Entrada e saída de 
ar conhecida
~~Determinar o 
consumo de 
energia.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições TermodinâmicasDefinições Termodinâmicasçç
• A condição de um sistema varia, em geral, no 
d d t N d d i t t di ã ddecurso do tempo. Num dado instante a condição de 
um sistema é definida pelas suas propriedades.
• Propriedade:
qualquer característica quantificável de um sistema e 
cujo valor num dado instante é o resultado da 
realização, nesse instante, de uma operação, teste ou 
observação efetuada sobre o sistema (volume, 
energia, pressão, temperatura).
G d ã ã i d d fl
O valor das propriedades não depende da história, i.e do processo
Grandezas que não são propriedades: fluxos 
mássico e de energia, trabalho e calor.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições TermodinâmicasDefinições Termodinâmicasçç
• Estado:
Condição de um sistema descrito pelas suas 
propriedades.
As propriedades não são todas independentes.
Um estado é caracterizado por um sub-conjunto de propriedades.
Outras propriedades são definidas a partir do referido sub conjuntoOutras propriedades são definidas a partir do referido sub-conjunto.
• Postulado de estado:
O estado de um sistema simples e compressível é 
definido por duas propriedades intensivas 
i d d
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independentes. 
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Propriedades Propriedades 
Intensivas e ExtensivasIntensivas e Extensivas
9 Imagine um alteres em equilíbrio térmico
9 Agora separe em partes
9Massa e Volume = soma das partes Extensivasp
9 E a Temperatura? Intensiva
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Propriedades Propriedades 
Intensivas e ExtensivasIntensivas e Extensivas
• As propriedades intensivas só se definem em 
sistemas, em equilíbrio, i.e., quando o seu 
valor é o mesmo em todos os pontos do p
sistema. 
• As propriedades intensivas por unidade de• As propriedades intensivas por unidade de 
massa designam-se por específicas.
• As propriedades extensivas podem ser 
transferidas entre sistemas termodinâmicostransferidas entre sistemas termodinâmicos
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições TermodinâmicasDefinições Termodinâmicasçç
• Denomina-se sistema simples e compressível 
f é ése não existirem efeitos elétricos, magnéticos, 
gravitacionais, de movimento e de tensão superficial
Variação ou mudança de estado: ocorre, quando o valor de 
pelo menos uma propriedade primitiva se altera.
Nota: não confundir mudança de estado com transição de fase.
pelo menos uma propriedade primitiva se altera.
• Caminho: 
j l d d idconjunto completo de estados assumidos por 
um sistema durante uma variação de estado.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PressãoPressão
Pressão Manométrica Positiva
Pressão Manométrica NegativaPressão Manométrica Negativa
Pressão Atmosféricaessão t os é ca
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Medição PressãoMedição Pressãoçç
• A força que age para baixo:
ALgAPmgAP atmatm ρ+=+
• Equilíbrio c/ para cima:
ALAPAP ALgAPAP atmB ρ+=
• Resultando em:
LgPPP tB ρ=−=Δ LgPPP atmB ρΔ
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ManômetrosManômetros
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Temperatura e a Temperatura e a 
Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica
• Tato e temperatura
• Taxa de Transferência de energia (potência)
• Métodos para medir quente e o frio• Métodos para medir quente e o frio
• Corpos em Temperatura diferentes
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Equilíbrio térmicoEquilíbrio térmicoqq
Figura 1. (a)Medida de temperatura do Bloco 
A; (b)Medida de Temperatura do bloco B.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Temperatura e a Temperatura e a 
Lei Lei Zero da TermodinâmicaZero da Termodinâmica
• Equilíbrio Térmico:
Ausência de troca de energia- Ausência de troca de energia.
• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:
“ Se o corpo A e B estiverem separadamente em
equilíbrio térmico com um terceiro corpo Cequilíbrio térmico com um terceiro corpo C,
então A e B, estão em equilíbrio térmico entre
si “
• TEMPERATURA (conceitualmente):( )
- Propriedade que determina se um corpo está
em equilíbrio térmico com outro corpo
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermômetrosTermômetros
• Para ver se dois corpos estão a mesma temperatura 
ã é á i l á l t t t inão é necessário colocá-los em contato entre si, 
basta verificar se estão em equilíbrio com um 
t i t ô tterceiro – o termômetro.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O Ponto Triplo da ÁguaO Ponto Triplo da Águap gp g
PT
P i l d á T 273 16 K P 4 58 H
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Ponto triplo da água: T3= 273,16 K ; P3 = 4,58 mmHg
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Termômetro de Gás Termômetro de Gás 
a Volume Constantea Volume Constante
Fi A T ô Gá Fig B – Gráfico típico de P x T obtido com um
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Fig.A -Termômetro a Gás Fig.B – Gráfico típico de P x T obtido com um 
termômetro a gás a V=cte
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Célula de Ponto TriploCélula de Ponto Triplopp
Em 1954 o Comitê Internacional de Pesos 
e Medidas, estipulou dois pontos para 
calibração de termômetros:
• Zero Absoluto (273,15 K);e o bso uto ( 3, 5 );
• O ponto Triplo da água 
(273,16 K e 4,58 mmHg).
FIG.A – Célula de Ponto Triplo , na qual gelo (sólido), a água (Líquido) e
o vapor (Gás) coexistem em equilíbrio
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p ( ) q
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CálculosCálculos
• A temperatura é dada por:
T = C p
p = Pressão exercida pelo gásp p g
C= Constante de Proporcionalidade
S l b lb l d tSe colocarmos o bulbo em uma cela de ponto
triplo:
T3 = C p3
p3 = Pressão do gás no bulbop3 Pressão do gás no bulbo
T = T3 (p/p3) = 273,16 K ( p/p3)
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pressão x TemperaturaPressão x Temperaturapp
Problema: Gases diferentes = Resultados diferentes
Fig. A - Pressão versus temperatura para gases
diluídos.
Fig. B - Temperatura versus pressão para gases
diluídos.
O que nos mostra o gráfico da Figura B?!!!O que nos mostra o gráfico da Figura B?!!!
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
= lim16,273 pT
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⎟⎟⎠⎜
⎜
⎝ → 30
lim16,273
p
T
Pgas
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TermômetrosTermômetros
CaracterísticasCaracterísticas
• Termômetros (dispositivos)
P i d d Fí i• Propriedade Físicas:
1. Volume de um fluido;
2. O comprimento de um sólido;
3. Volume de um gás mantido a pressão g p
constante;
4. Pressão de um gás mantido em volume g
constante;
5. Resistência elétrica de um condutor5. Resistência elétrica de um condutor
6. Cor de um corpo quente;
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termômetros UsuaisTermômetros Usuais
• Termômetro de Mercúrio/Álcool
Calibração
Ponto de Fusão:
0 ºC = 32 ºF
P t d Eb li ãPonto de Ebulição:
100 ºC = 212 ºF
Discrepâncias:
Afastamento pontosAfastamento pontos
de calibração.
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Escalas Celsius e FahrenheitEscalas Celsius e Fahrenheit
• Grau Celsius: Tamanho igual do grau Kelvin. 
Usada em quase todos os países;Usada em quase todos os países;
Relação ºC/K: Tc = T – 273,15º.
• Grau Fahrenheit: Estados Unidos 
R l ã F/C T 9/5 T 32ºRelação F/C: TF = 9/5 Tc + 32º
dOnde:
Tc = Temperatura em ºC
TF = Temperatura em ºF
T = Temperatura absoluta em K
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Correspondência Correspondência entre entre 
algumas Escalasalgumas Escalasgg
Temperatura ºC ºF
Ebulição água 100 212
Congelamento 0 32
água
0 32
Zero da Escala 
Farenheit
-18 0
Farenheit
Coincidência de 
Escalas
-40 -40
Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit
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Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CuriosidadesCuriosidades
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RevisãoRevisão
• Calor = Energia térmica em trânsito;
• Temperatura = Propriedade que determina se 
um corpo está em equilíbrio térmico com outro;um corpo está em equilíbrio térmico com outro;
• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:
• “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em• “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em 
equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, 
tã A B tã ilíb i té i tentão A e B, estão em equilíbrio térmico entre 
si“
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