Aula 1-Termodinamica- Introdução

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Termodinâmica
	Aula 1
Prof. Dr. Ricardo Eugenio Bazán 
bazan.ufmt@gmail.com
Termodinâmica
Universidade Federal de Mato Grosso
Introdução e definições. Lei zero
Propriedades de Substâncias Puras
Gases reais e perfeitos
Calor e Trabalho
1a Lei da Termodinâmica
2a Lei da Termodinâmica
Entropia
Ciclos Motores e Refrigeração 
Bibliografia Básica:
1- Fundamentos da Termodinâmica.; Sonntag; Borgnakke & Van Wylen. 6ª ed. Editora Blücher, 2003.
  
2- Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4ª ed.; Moran, M.J.; Shapiro, H. N.; Rio de Janeiro: Editora. LTC, 2002.
3- Termodinâmica; Çengel & Boles, McGraw-Hill, 5ª. Ed., 2007.
4- Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química; Smith, J.M.; Van Ness, H. C.; Abbott, M.M.; 7ª ed., Editora LTC2007.
Termodinâmica
Universidade Federal de Mato Grosso
Avaliações:
P1, P2
PT = 0,5 x (P1 + P2 )
Condição de Aprovação:
PT ≥ 7,0 
Se 3,0 ≤ PT ≤ 7,0 
Apto para a PF . 
NF = (PF+PT)/2
Condição de Aprovação:
 NF ≥ 5,0
P1, P2 = Provas parciais.
PF: 100 % do conteúdo ministrado no semestre.
PT = Pontuação Total
PF = Prova Final. 
NF = Nota Final
Universidade Federal de Mato Grosso
Termodinâmica
Calculadoras Programáveis
Termodinâmica Clássica
Termodinâmica
Universidade Federal de Mato Grosso
Termodinâmica?
O que é?
“Ciência que estuda a energia” [ Çengel] 
“Ciência da energia e da Entropia” [Van Wylen e Sonntag]
“Ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho” [Van Wylen e Sonntag]
“Ciência que estuda o comportamento macroscópico das substâncias da natureza quando ocorrem interações energéticas com as vizinhanças.”
“A termodinâmica é o ramo da Física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume [...]em sistemas físicos em escala macroscópica.” [Wikipédia] 
Termodinâmica?
Significado do termo?
Do grego: 
θερμη, therme = “calor”
δυναμις, dynamis = “movimento, força [que provoca o movimento], potência”
“potência a partir do calor” [Smith]
“movimento do calor para produzir energia mecânica” [Sandler]
1ª vez publicado (termo): 1849 - William Thomson (Lord Kelvin) 
1º texto sobre o tema: 1859 – William Rankine (Universidade de Glasgow) [Çengel]
Termodinâmica?
Origem?
 
 Século XIX – necessidade de descrever a operação das máquinas (térmicas) a vapor e de avaliar seu limite de desempenho.
 A termodinâmica clássica foi desenvolvida: 
 baseada nas observações de propriedades macroscópicas (T, P, m, n, V) de sistemas (objetos de estudo).
 Robert Boyle (1662) – P.V = cte a massa e T ctes.
 Lomonossov-Lavoisier–Enunciado da conservação da massa (1789)
	“na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”
Lussac-Charles (1802; 1780s) – V/T = cte a massa e P ctes.
Instalação simples de uma central termoelétrica a vapor
Trabalho
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
Aplicações da Termodinâmica
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“Essa Central de Potência atingiu uma eficácia térmica recorde na época de sua inauguração , convertendo 45% dos 850MW da energia disponível da queima do carvão em energia elétrica.”
“Nesta usina, 47% por cento da potência térmica da central são aproveitados para aquecimento de ambientes localizados nas proximidades.”
Instalação simples de central termoelétrica a vapor
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
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Análise global de uma central termoelétrica.
Gerador de Vapor, turbina, condensador e bomba => são necessários para produção de Energia Elétrica?
Objetivo:
Produzir Energia Elétrica com a maior eficiência possível
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
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Termodinâmica?
O que é na prática?
A termodinâmica clássica estuda e analisa situações de equilíbrio. 
SÓ!
“Quando não há alterações (macroscopicamente) das propriedades do corpo em estudo com o tempo”.
A caracterização de um sistema independe de sua história.
Processos reais são de não equilíbrio
Potencial gravitacional
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Termodinâmica?
Por que é importante e para que usamos?
“Todo sistema tenderá ao equilíbrio desde que seja isolado das vizinhanças e se dê tempo suficiente a ele (pode ser muito grande).”
Mecânico: Pressão (Força)
Térmico: Temperatura
Químico: Potencial químico (fugacidade)
Termodinâmica → forças motrizes → Potenciais
Fenômenos de transporte e cinética química.
Estrutura da Termodinâmica Clássica
2a Lei
Postulados (baseados em observações da realidade)
Zero Lei
1a Lei
RELAÇÕES TERMODINÂMICAS NECESSÁRIAS 
À RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
Termodinâmica na Engenharia
Geralmente não ideais
poucas vezes isotérmicos
sistemas nem sempre no equilíbrio
poucas misturas de importância são ideais, etc. 
Aplicação prática da teoria de termodinâmica
Utilidade:
Idealizações das realidades 
sistemas reversíveis
adiabáticos
bem misturados 
Estrutura da termodinâmica 
Processos reais
Abordagem
Dificuldade
Resolução
Problema Real
Relações
Termodinâmicas
Hipóteses
Problema Ideal
Observações
(dados Experimentais)
Comparação
Termodinâmica
Prof. Dr. Ricardo Eugenio Bazán
Universidade Federal de Mato Grosso
Conceitos e Definições
Sistema
(dentro)
Fronteiras
(Limite)
Ambiente ou
Vizinhanças
(fora, externo)
Conceitos e Definições
Sistema Termodinâmico (Sistema Fechado)
“Quantidade de matéria com massa e identidade definidas sobre a qual nossa atenção é dirigida.”
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
Conceitos e Definições
Sistema isolado: 
Fronteiras: 
fixa ou móvel
Adiabática ou diatérmica
(permeável ou impermeável - subsistemas)
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
Sistema Termodinâmico
Não interage com o ambiente
Não há fluxos de calor, trabalho ou matéria
Fronteiras: rígidas, impermeáveis, adiabáticas
Conceitos e Definições
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
Sistema Aberto ou Volume de Controle (VC)
“Região do espaço (objeto de estudo) separado das vizinhanças por uma superfície de controle (SC)”
Em trechos, Superfícies de Controle podem permitir transporte de:
Massa
Calor 
Trabalho 
Muitos processos de engenharia envolvem escoamento de massa
Conceitos e Definições
Sistema
Massa
Energia
Massa
Energia
Sistema aberto
Sistema
Energia
Energia
Sistema fechado
Sistema
Sistema isolado
Principais Tipos de Sistemas
Conceitos e Definições
Pontos de Vista Macroscópico e Microscópicos
TERMODINÂMICA CLÁSSICA
Efeitos gerais ou médios de várias moléculas que podem ser medidos ou inferidos experimentalmente.
Descrição 
Gás monoatômico
Pressão (P)
Temperatura (T)
Volume (V)
massa (m) {quantidade de matéria (n)}
“Essas observações macroscópicas são completamente independentes de nossas premissas a respeito da natureza da matéria”.
Abordagem válida para Meio Contínuo
Conceitos e Definições
Meio Contínuo
Um meio contínuo é um corpo que pode ser subdividido continuamente em elementos infinitesimais mantendo as mesmas propriedades do material macroscópico.
Alguns fenômenos físicos podem ser descritos assumindo que o material seja um meio contínuo, como se toda a matéria fosse distribuida continuamente em todo espaço da região ocupada. 
Abordagem
discreta
Abordagem
Contínua
ρd =md / Vd = mc / Vc =ρc
Conceitos e Definições
Estado Termodinâmico
Condição do Sistema!
Conjunto de parâmetros que caracterizam macroscopicamente o estado de um sistema (das substâncias que o compõem) em equilíbrio.
Propriedades Termodinâmico
Pressão (P), Temperatura (T), Volume (V), massa (m), quantidade de matéria (n) …
Mecânica Clássica: 
rx, ry, rz, vx, vy, vz de todas as moléculas
Mecânica Estatística: 
Parâmetros estatísticos da fdp: Média, frequências…
Conceitos e Definições
EquilíbrioTermodinâmico
Primitivas: medidas diretamente (P, V, T, m) 
Derivadas: calculadas a partir de propriedades primitivas (U, H, S, G, …)
Intensivas: não dependem da massa (P, T, ρ, v = 1/ρ)
Extensiva: dependem da massa (V, m, H, S, …)
Obs: extensiva/massa = intensiva 
V/m = v (m³/kg); H/m = h, ...
Quando um sistemaestá em equilíbrio em relação a todas as mudanças possíveis de estado.
Propriedades Termodinâmico: Classificação
Processos Termodinâmicos
Processo Isobárico: ocorre a p constante
Processo Isocórico (isométrico ou isovolumétrico): ocorre a V constante
Processo Isotérmico: ocorre a T constante
Processo Isentrópico: ocorre a S constante
Processo Isentálpico: ocorre a H constante
Processo Adiabático: sem ganho ou perda de calor.
Conceitos e Definições
Processo
Caminho definido pela sucessão de estados que o sistema percorre. 
“Variação das propriedades com o tempo”.
[ Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag]
Quando o peso for retirado, o sistema não estará mais em equilíbrio e as propriedades não mais podem descrever o estado.
Definimos processos ideais de quase-equilíbrio.
Conceitos e Definições
Processo de quase-equilíbrio
Quando um processo ocorre por sucessivas modificações infinitesimais do equilíbrio termodinâmico. Todos os estados que o sistema passa podem ser considerados estados de equilíbrio.
Muitos processos podem ser modelados, com boa precisão, como processos de quase-equilíbrio.
Retirada um por vez
Termodinâmica (propriedades) descreve o estado por todo o processo
Termodinâmica descreve só os estados de equilíbrio inicial e final.
Gás
Gás
Conceitos e Definições
Ciclos
Quando um sistema parte de um estado inicial dado, passa por mudanças de estado (processo) e finalmente retorna ao estado inicial.
Neste caso todas as propriedades são iguais no estado inicial e final do sistema.