A2 - Termodinâmica - Unidade 1 - Energia e trabalho(1)

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Termodinâmica – Prof. Adriano F. Ronzoni UN1 – Introdução 1
Termodinâmica
Unidade 1 – Introdução
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Plano de ensino
• 1.1 - Conceitos básicos de termodinâmica e suas aplicações
• 1.2 - Grandezas físicas e sistema de unidades
• 1.3 - Escalas de temperatura
• 1.4 – Energia: o conceito de trabalho
• 1.5 – Energia: calor e trabalho
• 1.6 - Primeira lei da termodinâmica
• 1.7 - Conversão de energia
• 1.8 - Eficiência
Unidade 1 – Termodinâmica
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Objetivos
• Apresentar as principais grandezas físicas relevantes ao estudo da
termodinâmica.
• Introduzir o conceito de energia e formas de conversão de energia.
• Apresentar os mecanismos de transferência de calor.
• Definir o conceito de trabalho e eficiência.
• Apresentar as implicações da conservação da energia.
Unidade 1 – Fundamentos da termodinâmica
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1.1 – Conceitos básicos de termodinâmica
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Sistemas e volumes de controle
• Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região do espaço escolhido
para estudo. A massa ou a região fora do sistema é chamada de vizinhança.
• A superfície real ou imaginária que separa o sistema da sua vizinhança é chamado de
fronteira. A fronteira é a superfície em contato tanto com o sistema quanto com a
vizinhança. Matematicamente, a fronteira tem espessura zero, ou seja, não pode conter
massa ou ocupar lugar no espaço. A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel.
• Sistema fechado: tem massa fixa. Ou seja, pode apenas ter interações na forma de
calor e trabalho. Não existe fluxo de massa através da fronteira. Entretanto, sua fronteira
pode ser fixa ou móvel.
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Sistemas e volumes de controle
• Um sistema aberto, ou volume de controle, é um sistema que permite fluxo de
massa através de sua fronteira (além das eventuais interações de calor trabalho).
Volumes de controle são utilizados para modelagem matemática de diversos
equipamentos de engenharia tais como bombas, compressores, turbinas e etc. Assim
como os sistemas fechados, os volumes de controle podem ter fronteiras fixa ou móveis.
• Qualquer região do espaço pode ser escolhida como um volume
de controle. Tipicamente, a correta seleção do volume de
controle pode facilitar muito a solução do problema.
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Propriedades de um sistema
• Propriedades são características que definem o estado termodinâmico de um
sistema.
• Algumas propriedades termodinâmicas conhecidas são temperatura, pressão, volume e
densidade. Outras não tão famosas incluem viscosidade, energia interna, entalpia,
entropia e etc.
• As propriedades podem ser classificadas como propriedades intensivas ou propriedades
extensivas.
a) Propriedades intensivas: não dependem da massa
do sistema. Exemplos incluem temperatura, pressão e
densidade.
b) Propriedades extensivas: são propriedades que
dependem da extensão do sistema. Exemplos incluem
massa total, energia total e volume.
• Dividir o sistema em questão em dois ajuda a avaliar se um
propriedade é intensiva ou extensiva.
• Propriedades extensivas expressas por unidade de massa
são amplamente conhecidas como propriedades
específicas (ex: volume específico, v [m3/kg]).
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Estado termodinâmico e equilíbrio
• Um sistema em repouso, não passando por
nenhuma mudança, pode ter suas propriedades
medidas em toda sua extensão, o que fornece um
conjunto de propriedades termodinâmicas que
permitem determinar o estado termodinâmico
do sistema.
• Quando as propriedades de um sistema são as
mesmas em toda sua extensão (ou seja, não
existem gradientes de propriedades no sistema),
diz-se que o sistema encontra-se em equilíbrio
termodinâmico.
• Existem diferentes formas de equilíbrio (e todas
devem ser garantidas para o equilíbrio
termodinâmico seja válido). Equilíbrio térmico,
quando não há gradientes de temperatura;
equilíbrio mecânico, quando não há gradientes
de força no sistema; equilíbrio de fase, quando
não há mais alteração da massa das fases;
equilíbrio químico, quando a composição não
mais se altera.
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Postulado de estado
• A determinação de um estado termodinâmico não exige o conhecimento de todas as
propriedades simultaneamente. Um vez que um número mínimo de propriedades é
determinada, o estado termodinâmico está completamente definido. O número mínimo de
propriedades que determina completamente o estado termodinâmico de uma substância
compressível simples é dado pelo postulado de estado.
O estado de uma substância compressível simples é completamente determinado 
por duas propriedades termodinâmicas intensivas independentes (1).
(1) Válido na ausência de forças externas tais como gravitacional, magnética, tensão superficial. 
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Postulado de estado
• Um sistema é chamado de compressível simples na ausência de forças externas tais
como campos elétricos, magnéticos, gravitacionais assim como na ausência de tensão
superficial.
• No caso da presença de uma das forças externas, uma propriedade adicional deve ser
fornecida (na presença de campos gravitacional, a altura z deve ser conhecida).
• Duas propriedades são consideradas independentes se uma propriedade pode ser variada
enquanto a outra é mantida constante. Por exemplo, temperatura e volume específico são
sempre independentes. Por outro lado, temperatura e pressão são independentes apenas
no caso de sistemas monofásicos.
• Em sistemas em transição de fase (ebulição, condensação, solidificação) temperatura e
pressão são dependentes, ou seja T = f(p) durante o processo de mudança de fase.
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Processos e ciclos
• Toda mudança que altere o estado de
equilíbrio de um sistema recebe o nome de
processo termodinâmico (ex:
compressão, expansão, aumento/redução de
temperatura).
• A série de pontos que descrevem os estados
termodinâmicos durante um processo é
conhecida como caminho.
• Para descrever completamente um processo
termodinâmico, você deve determinar seus
estados inicial, final bem como os pontos
intermediários da trajetória do processo.
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Processos e ciclos
• Um processo termodinâmico realizado de uma
maneira infinitamente lenta é dito como um
processo quasi-estático ou de quasi-
equilíbrio.
• Um processo quasi-estático pode ser visto como
um processo extremamente lento, onde há
tempo suficiente para que o sistema se ajuste
internamente, permitindo assim que as
mudanças de estado ocorram simultaneamente
em todo o sistema, sem a presença de
gradientes.
• Um processo de compressão quase-estático
garante que a pressão no interior do cilindro
aumente homogeneamente por todo o
sistema, não havendo assim forças não
balanceadas.
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Processos e ciclos
• Mas por que estudar processos de quasi-equilíbrio?
• Esse tipo de processo é uma idealização de um processo real e não uma representação
fidedigna do mesmo. Muitos processos reais se aproximam de um processo quasi-
estático com erros insignificantes.
• O interesse do engenheiro nesse tipo de processo se dá principalmente pela facilidade
de análise (matemática principalmente). Além disso, esse tipo de processo representa o
trabalho ideal de muitas máquinas térmicas e sendo assim, serve de referência para
avaliação da eficiência de processosreais.
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Processos e ciclos
• Processos termodinâmicos são tipicamente
representados em função da variação da suas
propriedades em um diagrama (P-V, P-T e etc).
• Esses diagramas indicam uma série de estados de
equilíbrio e dessa forma tem seus pontos definidos
no diagrama, cujo processo é representado por uma
linha cheia.
• Processos de não equilíbrio não podem ser
representados por um único estado termodinâmicos
em um diagrama de propriedade. Dessa forma, tais
processos são representados por linhas pontilhadas
que ligam o estado inicial ao estado final.
• O prefixo iso-, é utilizado para designar processos
onde uma das propriedades permanece constante:
isobárico (pressão constante), isocórico (volume
constate), isotérmico (temperatura constante).
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Processos em regime permanente
• Os termos permanente e uniforme são
tipicamente usados em engenharia.
• O termo permanente significa sem variação no
tempo, em oposição ao termo transiente, com
varia com o tempo.
• Por sua vez, o termo uniforme significa sem
alteração espacial.
• Um grande número de processos de engenharia
pode ser representados por processos em
regime permanente (ex: bombas, compressores,
turbinas).
• Por fim, um sistema é dito operar em um ciclo
termodinâmico quando, ao final de todos os
processos, o sistema retorna ao seus estado
original.
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Lei zero da termodinâmica
• A lei zero da termodinâmica declara que se dois corpos estão em equilíbrio termodinâmico
com um terceiro corpo, estes estão necessariamente em equilíbrio térmico entre si.
• Por mais simples que esta declaração possa parecer, ela é a base para a medição de
temperatura e não pode ser deduzida de outras leis da termodinâmica.
• Substituindo o terceiro corpo por um termômetro, pode-se rescrever a lei zero da
seguinte forma:
Dois corpos estão em equilíbrio térmico entre si se estes possuem a mesma 
temperatura, mesmo que não estejam em contato.
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1.2 – Grandezas físicas e suas unidades
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Dimensões e unidades
Dimensão é a medida de uma quantidade física. Unidade é uma maneira de atribuir um
valor à dimensão.
❑ Existem sete dimensões primárias (fundamentais ou básicas): massa, comprimento,
tempo, temperatura, corrente elétrica, quantidade luminosa, quantidade de matéria.
Todas as dimensões não primárias (Joule, W, Pa ...) são derivadas da combinação das
sete unidades fundamentais.
❑ Uma mesma unidade, pode ter diferentes prefixos que representam sua ordem de
grandeza.
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Dimensões e unidades
Algumas grandezas expressas por unidades secundárias do sistema internacional:
• Força: é uma unidade secundária cuja unidade é derivada do “princípio de conservação
do momento”, também conhecido como segunda lei de Newton ou “lei da inércia”. Sua
unidade no SI é o N (newton), definido como a força para acelerar 1 kg à 1 m/s2.
• Pressão: representa a força normal exercida em um plano expressa por unidade de área.
Sua unidade no SI é Pa (Pascal). Um Pascal representa Pa = N/m2.
• Peso: massa de um corpo multiplicada pela aceleração da gravidade. Tem unidade de
força. É tipicamente utilizado de maneira equivocada como sinônimo de massa. Sua
unidade no SI é N (newton).
• Trabalho: é uma forma de energia. Pode ser definido como Força x distância. Assim
como outras formas de energia. Sua unidade no SI é N.m (newton-metro), porém mais
conhecido como joule (J). Um joule J = N.m.
• Potência: representa trabalho por unidade de tempo. Sua unidade no SI é o W (watt).
Um W representa W = J/s.
• Calor: energia térmica em movimento. Sua unidade no sistema internacional é o W
(watt).
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Homogeneidade dimensional
“apples and oranges do not add”
❑ Em engenharia, todas as operações devem respeitar homogeneidade dimensional.
Ou seja, todos os termos de uma equação devem estar expressos nas mesmas
unidades.
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1.3 – Escalas de temperatura e o conceito de pressão 
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Escalas de temperatura
• A maioria das escalas de temperatura são baseadas
em alguns estados facilmente reproduzíveis tais como
ponto de congelamento e ebulição da água.
• Entretanto, na ciência termodinâmica, é desejável
uma escala de temperatura que seja independente de
qualquer substância. Essa escala é conhecida como
escala termodinâmica de temperatura, em SI
representada pela unidade K (kelvin). A menor
temperatura termodinâmica (zero absoluto) assume o
valor de 0 K (273,15 °C)
• Outras escalas de temperatura incluem Celsius (°C),
Rankine (R) e Fahrenheit (°F).
Ponto de gelo (0°C): temperatura de
equilíbrio da mistura gelo, água e ar saturado
à 1 atm.
Ponto de vapor (100°C): temperatura de
equilíbrio da mistura água e vapor de água
saturado à 1 atm.
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Pressão
• Pressão é uma grandeza escalar definida como a
força exercida por um fluido por unidade de
área. Sua unidade no sistema internacional (SI)
é o Pascal (Pa) onde 1 Pa = 1 N/m2.
• A unidade pascal representa um valor muito
pequeno em aplicações típicas de engenharia.
Por esse motivo, seus múltiplos kilopascal (kPa)
e megapascal (MPa) são tipicamente utilizados.
• Outras unidades de pressão comumente
utilizadas na prática são bar, atmosfera padrão,
kilograma-força por centímetro quadrado.
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Pressão
• Pressão absoluta: é a pressão total medida em um determinado ponto sendo medida
em relação ao vácuo absoluto.
• Pressão manométrica: é a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica
local. A pressão manométrica pode ser tanto positiva quanto negativa.
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Variação de pressão com altura
• A pressão em um fluido sujeito a um campo
gravitacional irá aumentar na direção do campo.
• A pressão aumenta com a profundidade devido ao
peso extra das camadas superiores aplicado nas
camadas inferiores.
• Uma expressão para variação da pressão com a
profundidade pode ser obtida da aplicação de um
balanço de força em um elemento de fluido sujeito
a um campo gravitacional.
• Ou seja, a diferença de pressão entre dois pontos
de um fluido com densidade constante é
proporcional a distância vertical entre eles.
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Variação de pressão com altura
• A pressão em um fluido sujeito a um campo gravitacional irá aumentar na direção do
campo.
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1.4 – Energia e o conceito de trabalho
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Energia
• Energia pode ser expressa em uma
variedade de formas tais como energia
térmica, mecânica elétrica, química e
nuclear.
• Energia pode ser transferida de/para
sistema fechado em duas formas: calor e
trabalho. Se transferida através de um
gradiente de temperatura é calor, senão é
trabalho causado por uma força aplicada ao
longo de uma distância.
• Para volumes de controle, energia também
pode ser transferida na forma de fluxo de
massa.
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Formas de energia
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Formas de energia
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Formas de energiaa) Total (E): energia associada a todo o volume de controle (massa total) e é tipicamente
expressa em [J].
b) Energia específica (e): energia total (E) por unidade de massa (m), cuja unidade é
expressa tipicamente em [J/kg]
• A termodinâmica não fornece nenhuma informação a respeito do valor absoluto da
energia total, apenas trata de sua variação.
• Pode-se atribuir o valor da energia total de um sistema o valor zero (E=0) em um ponto
arbitrário em um ponto conveniente que servirá de referência para as variações de
energia.
• A energia total de um sistema pode ser descrita através das suas diferentes formas:
térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, química, nuclear.
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A termodinâmica trata da variação da energia entre estados de referência. Não
existe informação sobre energia absoluta.
As principais formas de energia podem ser classificadas como:
a) Macroscópica: a energia que o
sistema possui como um todo, em
respeito a um referencial inercial. Ex:
energia potencial e energia cinética.
b) Microscópica: forma de energia
associada a estrutura e ao nível de
agitação das moléculas. É
independente de referencial externo.
A soma de todas as parcelas de
energia microscópica é chamada de
energia interna (U).
Formas de energia
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FORMAS MICROSCÓPICAS DE ENERGIA (Energia Interna, U)
Podem ser classificadas como:
São as formas de energia associadas a estrutura e ao nível de agitação das 
moléculas. São formas de energia independentes de um referencial externo. 
a) Sensível: associada ao grau de agitação das moléculas.
b) Latente: associada a energia de ligação entre moléculas.
c) Química: associada a energia de ligação entre átomos.
d) Nuclear: associada ao energia de ligação do núcleo do
átomo.
Do ponto de vista de engenharia, qual a principal
diferença entre as energias cinéticas macroscópica e
microscópica (o/d)?
Formas de energia
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FORMAS MACROSCÓPICAS DE ENERGIA
São formas macroscópicas de energia aquelas associadas ao movimento ou a
influência de forças externas tais como gravidade, magnetismo, eletricidade ou
tensão superficial.
a) Energia cinética (KE): associada ao movimento de translação de um corpo.
b) Energia potencial (PE): associada a influências de forças externas como por
exemplo a aceleração da gravidade.
Formas de energia
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FORMAS MACROSCÓPICAS DE ENERGIA
Desconsiderando os termos de menor relevância (tensão superficial, magnetismo e
etc), a energia macroscópica total de um sistema pode ser expressa como:
ou para o formato específico:
Formas de energia
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FORMAS MACROSCÓPICAS DE ENERGIA
• A maioria dos sistemas fechados permanecem estacionários (V = 0) e portanto
não apresentam variação de energia cinética.
• Sistemas fechados cuja velocidade e elevação do centro de gravidade
permanecem constantes durante todo processo são chamados de sistemas
estacionários.
• Volumes de controle tipicamente envolvem fluxo de massa através de suas
fronteiras. Uma maneira de considerar a transferência de energia por advecção
é através do conceito de vazão mássica [kg/s].
Formas de energia
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FORMAS DINÂMICAS DE INTERAÇÃO DE ENERGIA
As formas de energia apresentadas até então são “contidas” pelo sistema. Por
outro lado, as formas dinâmicas de interação de energia são identificadas na
fronteira do sistema ou do volume de controle.
a) Para um sistema fechado: calor e trabalho.
b) Para um sistema aberto (volume de controle): calor e trabalho & advecção
Formas de energia
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ENERGIA MECÂNICA
Forma de energia que pode ser convertida em diretamente e integralmente em
trabalho mecânico através da aplicação de um mecanismo ideal (ex: turbina ideal)
❑ Bombas: transferem energia mecânica para um
fluido elevando sua pressão/altura/velocidade.
❑ Turbina: extraem trabalho de um fluido
reduzindo sua energia mecânica.
Formas de energia
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ENERGIA MECÂNICA
Forma de energia que pode ser convertida em diretamente e integralmente em
trabalho mecânico através da aplicação de um mecanismo ideal (ex: turbina ideal)
❑ Energia mecânica específica: 
❑ Variação de energia mecânica específica: 
Formas de energia
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ENERGIA MECÂNICA
Forma de energia que pode ser convertida em diretamente e integralmente em
trabalho mecânico através da aplicação de um mecanismo ideal (ex: turbina ideal)
❑ Variação da potência mecânica total: 
❑ Potência mecânica total: 
Formas de energia
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Exemplo 1 – Uma usina eólica conta com ventos de 8,5 m/s. Determine (a) energia
específica, (b) energia total para uma massa de ar de 10 kg, (c) potência associada
a uma hélice de 12 m de envergadura, (d) considerando uma eficiência de 36,0%,
quantas turbinas são necessárias para suprir uma potência elétrica fornecida de 150
kW.
Formas de energia