Introdução à Termodinâmica para Engenharia

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
UTFPR – Termodinâmica 1
Conceitos Introdutórios e Definições
Princípios de Termodinâmica para Engenharia
 Capítulo 1
				
*
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 !!!
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Objetivos 
Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica aplicada à engenharia;
O engenheiro está, geralmente, se está interessado em estudar sistemas e como eles interagem com suas vizinhanças.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Conceitos e Definições
Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar;
Vizinhança é tudo aquilo que é externo ao sistema;
O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento. 
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Sistema
Exemplo de um Sistema
Fronteira
Vizinhança
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Tipos de Sistema
Defini-se sistema fechado quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo. 
Também é denominado de massa de controle. 
Um sistema fechado que não interage com suas vizinhanças é denominado sistema isolado;
Volume de controle é definido como uma região do espaço através da qual a massa pode escoar. Também é denominado sistema aberto;
Fronteira também é denominada superfície de controle. 
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Exemplos de tipos de sistemas
Sistema fechado
(massa de controle)
Volume de controle
(sistema aberto)
*
Conceitos Introdutórios e Definições
A Termodinâmica Clássica
A Termodinâmica Clássica se preocupa com o comportamento geral ou global de sistemas de interesse;
Também denominada de visão macroscópica; 
A Termodinâmica Clássica 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.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
 A Termodinâmica Estatística
A Termodinâmica Estatística se preocupa diretamente com a estrutura da matéria;
Esta é conhecida como uma abordagem microscópica;
A Termodinâmica Estatística objetiva estudar o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relacionar isto com a abordagem macroscópica.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
O Conceito de Propriedade
Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a 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.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Definições de 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, quando o estado muda
Tempo
Se nenhuma propriedade muda com a variação do
tempo: o sistema está em regime permanente
*
Conceitos Introdutórios e Definições
O Ciclo termodinâmico
Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se inicia e termina em um mesmo estado
Processo
Processo
*
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
*
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 a mesma 
para cada parte
*
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 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.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Equilíbrio
É uma condição de estabilidade utópica; 
Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.
*
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 estado de quase-equilíbrio (ou quase-estacionário)
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Sistemas de Unidades
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Sistemas de Unidades
1 kg = 2,2046 lb → 1 lb = 0,4536 kg
1 m = 3,2808 ft → 1 ft = 0,3048 m
1 ft3 = 0,028317 m3 → 1 m3 = 35,315 ft3
1 lbf = 4,4482 N → 1 N = 0,22481 lbf
T(oR) = 1,8 T (K) 
T(oC) = T(K) – 273,15
T(oF) = T(oR) – 459,67
*
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] é o
Volume molar
Peso molecular da
substância [kg/kmol]
*
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 uma 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
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Medindo Pressão
Manômetro
Sensor Piezoelétrico
Tubo Bourdon
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Pressão Absoluta e Relativa
Os dispositivos freqüentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo de medida. 
A magnitude dessa diferença é chamada pressão manométrica ou pressão de vácuo.
P(manométrica) = 
 P(absoluta) – Patm (absoluta)
P(vácuo) = Patm (absoluta) – P(absoluta)
*
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
*
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.
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Termômetros
Termômetro
de gás
Termopar
Termômetro
de bulbo
*
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 373,15 kelvins 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:
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Escala Celsius
Ponto de solidificação
Temperatura de vapor
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Escala Rankine e Fahrenheit
Escala Rankine
Escala Fahrenheit
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Comparação das Escalas
*
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. 
*
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;
*
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. 
*
Conceitos Introdutórios e Definições
Referências
MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.