Aula 1 - Conceitos e Definições

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Conceitos e definições
O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar. Pode ser algo pequeno
como uma bole de golfe ou algo grande como uma indústria. A composição
da matéria dentro de um sistema pode ser fixa ou variar em função de
reações. A forma ou o volume do sistema que está sendo analisado não é
necessariamente constante, como no caso de um gás no interior de um
cilindro comprimido por um pistão ou quando um balão é inflado.
Tudo que é externo ao sistema é considerado vizinhança do sistema. O
sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteira especificada, que
pode estar em repouso ou em movimento.
Dois tipos básicos de sistemas serão estudados. São eles os sistemas
fechados e os volumes de controle.
1 – Definindo sistemas
qual pode ocorrer fluxo de massa. A fronteira do sistema também pode ser
chamada de superfície de controle. Os volume de controle também podem
ser chamados de sistemas abertos.
Um sistema fechado refere-se a uma quantidade fixa de matéria,
enquanto um volume de controle é uma região do espaço através da
1.1 – Sistemas fechados:
Um sistema fechado sempre contém a mesma
quantidade de matéria, não podendo ocorrer fluxo de
massa através de suas fronteiras.
Um tipo especial de sistema fechado que não interage
de modo algum com sua vizinhança é chamado de
sistema isolado.
fechado. As linhas tracejadas representam a fronteira. Como a fronteira
entre o gás e o pistão se move, o volume do sistema varia. Se a combustão
ocorrer, a composição do sistema muda conforme a mistura inicial de
combustível se transforma nos produtos de combustão.
1.2 – Volumes de controle (sistemas abertos):
Algumas análises termodinâmicas serão realizadas em dispositivos como
turbinas e bombas, através da qual a massa flui. A maneira mais comum de
analisar esses sistemas é imaginar uma região do espaço através da qual
existe fluxo de massa, essa região delimitada por uma fronteira é chamada
de volume de controle. A massa pode cruzar a fronteira de um volume de
controle.
A figura mostra um gás em um conjunto cilindro-pistão. Quando as
válvulas estão fechadas podemos considerar o gás como um sistema
Motor de automóvel
procedimento de análise termodinâmica.
Em geral, a escolha da fronteira de um sistema é determinada por duas
considerações:
1) O que é conhecido sobre o possível, dentro dessas fronteiras;
2) O objetivo da análise.
1.4 – Ponto de vista macroscópico e microscópico:
A abordagem macroscópica da termodinâmica está preocupada com o
comportamento geral ou global. Isso muitas vezes é chamada de
termodinâmica clássica.
A abordagem microscópica da termodinâmica, conhecida também como
termodinâmica estatística, se preocupa diretamente com a estrutura da ma -
1.3 – Selecionando a fronteira do sistema:
É essencial que a fronteira seja cuidadosamente delineada antes do
clássica não apenas fornece uma abordagem consideravelmente mais direta
para a análise e projeto, mas também requer menor complexidade
matemática. Por esse motivo, o ponto de vista macroscópico será a
abordagem utilizada dentro na disciplina.
Para aplicações envolvendo lasers, plasmas, escoamento de gases em altas
velocidades, cinética química, temperaturas extremamente baixas
(criogenia), a termodinâmica estatística é empregada de maneira a fornecer
análises e resultados mais objetivos.
1.5 – Propriedade, estado e processo:
Uma propriedade é uma característica macroscópica do sistema, tal como
massa, volume, energia, pressão e temperatura, para os quais um valor nu -
téria em níveis molecular, atômico e subatômico.
Para uma vasta gama de aplicações de engenharia, a termodinâmica
Um estado refere-se a condição de um sistema descrito por suas
propriedades. Com frequência o estado pode ser especificado fornecendo-se
os valores de um subconjunto de propriedades, e assim, todas as demais
propriedades podem ser determinadas a partir desse conjunto conhecido.
Quando qualquer uma das propriedades de um sistema é alterada, ocorre
uma mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo. Um
processo é uma transformação de um estado para outro (evaporação da
água).
Se um sistema exibe o mesmo valor de suas propriedades em dois tempos
distintos, o sistema encontra-se sem alteração de estado, quando isso ocorre
dizemos que o sistema se encontra em regime permanente, uma vez que
nenhuma de suas propriedades varia com o tempo.
mérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o conhecimento
do comportamento prévio do sistema.
um todo é a soma de seus valores para as partes nas quais o sistema é
dividido (massa, volume e energia). Elas dependem do tamanho do sistema
e podem variar com o tempo.
Uma propriedade é dita intensiva quando seus valores independem do
tamanho do sistema e podem variar de local para local no interior de um
sistema em qualquer momento (volume específico e temperatura). Elas
podem ser funções da posição e do tempo, enquanto as extensivas são
função apenas do tempo.
1.7 – Equilíbrio:
Em mecânica, equilíbrio significa uma condição de estabilidade mantida
por uma igualdade de forças que se opõem. O equilíbrio termodinâmico é
mais abrangente, sendo necessário vários tipos de equilíbrio para se estabe -
1.6 – Propriedades extensivas e intensivas:
Uma propriedade é dita extensiva se seu valor para o sistema como
contra em equilíbrio termodinâmico através do seguinte procedimento:
isole o sistema de sua vizinhança e aguarde por mudanças em suas
propriedades observáveis. Se não ocorrerem mudanças, concluímos que o
sistema estava em equilíbrio no momento que foi isolado, e assim, dizemos
que o sistema se encontra em estado de equilíbrio.
Quando um sistema está isolado ele não pode interagir com a vizinhança,
mas seu estado pode mudar como consequência de eventos internos, à
medida que suas propriedades intensivas (temperatura e pressão) tendem a
valores uniformes. Quando todas as mudanças cessam o sistema está em
equilíbrio.
lecer uma condição de equilíbrio total (equilíbrio termodinâmico).
Podemos fazer um teste para verificar se o sistema realmente se en-
É muito comum o uso de diversos sistemas de unidades em problemas de
engenharia, entre eles o sistema internacional (ao qual já estamos mais
habituados) e o sistema inglês (que traz algumas dificuldades pela falta de
familiarização).
2 – Sistema de unidades
g = 9,8 m/s² g = 32,2 ft/s²
sentam em termos numéricos, uma vez que as operações matemáticas que
serão realizadas deverão, muitas vezes, levar em conta o número em toda
sua grandeza.
Alguns prefixos são comumente para expressar número muito
grandes ou muito pequenos. Devemos estar cientes do que repre -
Três propriedades intensivas importantes na termodinâmica são o volume
específico (v), a pressão (P) e a temperatura (T).
O volume específico é o menor volume para o qual a matéria pode ser
considerada um meio contínuo, e é normalmente pequeno o suficiente para
ser considerado um “ponto”.
Ele pode ser definido como o inverso da massa específica (ρ), logo, tem
também o inverso de sua unidade, sendo ela volume por unidade de massa.
3 – Volume específico
sica. Para isso, usamos o número de mols (n) que é definido por:
Na utilização de uma propriedade em base molar, uma barra é colocada
acima do símbolo:
Onde M é o peso molecular (massa molar) [kg/kmol] e v é o volume
específico molar [m³/kmol] ou [ft³/lbmol].
Em certas aplicações é conveniente exprimir propriedades como o
volume específico em unidades molares, ao invés de unidade más-
Para ilustrar o conceito de temperatura e sua relação com outras
propriedades, consideremos dois blocos de cobre e suponha que nosso
sentido indique que umé mais quente que o outro. Se os blocos fossem
colocados em contato e isolados de sua vizinhança, eles iriam interagir de
uma maneira que pode ser descrita como interação térmica (calórica).
Durante essa interação seria observado que o volume do bloco mais
aquecido decresceria um pouco com o tempo (contração), enquanto que o
bloco mais frio aumentaria com o tempo (expansão ou dilatação). No
devido tempo não seriam observadas mudanças de volume, e os blocos
produziriam a mesma sensação térmica aos nossos sentidos.
Os dois blocos atingiram o que se chama de equilíbrio térmico.
4 – Temperatura
zes é chamado de Lei Zero da Termodinâmica. O terceiro corpo é
usualmente chamado de termômetro.
4.1 – Instrumentos de medição:
Sensores mais preciso que os termômetros são conhecidos como
termopares, são baseados no princípio de que quando dois metais diferentes
são unidos uma força eletromotriz (fem), que é basicamente função da
temperatura, será estabelecida em um circuito. Em certos termopares um
dos fios é feito de platina com uma pureza especificada e o outro é uma liga
de platina e ródio. Outros termopares também utilizam cobre e uma liga de
cobre e níquel.
Outros sensores importantes são os sensores eletroresistivos, que se baseam
Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro,
eles estão em equilíbrio térmico entre si. Esse enunciado muitas ve-
geralmente são bons condutores (platina, cobre ou níquel) ou
semicondutores.
Vários equipamentos medem a temperatura através da radiação, como o
termômetro de ouvido e câmeras termográficas. Eles são um pouco
diferentes dos citados anteriormente, pois não é necessário que exista
contato entre o corpo e o instrumento de medição.
no fato de que a resistência elétrica em uma série de materiais varia
de uma maneira previsível com a temperatura. Os materiais usados
A temperatura padrão (absoluta) utilizada para o detalhamento de medições
de temperatura no sistema internacional é o kelvin (K). A escala Kelvin
parte de 0 K, e valores inferiores a este não são definidos.
A escala Rankine, cuja unidade é o grau Rankine (ºR) é proporcional à
temperatura Kelvin de acordo com:
T(ºR) = 1,8.T(K)
A escala Rankine também é uma escala termodinâmica absoluta com um
zero absoluto que coincide com o zero absoluto da escala Kelvin.
Nas relações termodinâmicas a temperatura é sempre colocada em termos
das escalas Rankine ou Kelvin. Apesar disso, outras escalas podem ser
encontradas, como a Celsius e a Fahrenheit.
4.2 – Escalas de temperatura:
4.2.1 – Kelvin e Rankine:
sui a mesma magnitude do Kelvin. Assim, as diferenças de temperatura em
ambas as escalas são idênticas. No entanto, o ponto zero na escala Celsius é
deslocada 273,15 K. E assim:
T(ºC) = T(K) – 273,15
Um grau com a mesma magnitude do utilizado na escala Rankine é o usado
na escala Fahrenheit, mas o ponto zero é transladado de acordo com a
relação:
T(ºF) = T(ºR) – 459,67
Assim podemos estabelecer a seguinte relação:
T(ºF) = 1,8.T(ºC) + 32
Essa equação mostra que o ponto de solidificação (0 ºC) é 32 ºF e o ponto
de vapor (100ºC) é 212 ºF.
4.2.2 – Escala Celsius e Fahrenheit:
A escala de temperatura Celsius com unidade grau Celsius (ºC) pos-