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11/03/2020 1 Termodinâmica Profa. Regina Hidalgo Lindgren Engenharias 2020 – S1 Seção 0 – Apresentações Iniciais Ementa 1. Alguns conceitos e definições - Introdução 2. Sistema termodinâmico e volume de controle 3. Propriedades de uma substância pura 4. Processos e ciclos 5. Equação de estado para gás ideal 6. Tabelas de propriedades termodinâmicas 7. Título. 8. Trabalho devido ao movimento de fronteira 9. Processos termodinâmicos quase-estáticos 10. Trabalho e Calor Cont. Ementa 11. Primeira lei da termodinâmica para um sistema percorrendo um ciclo. 12. Primeira lei da termodinâmica para mudança de estado de um sistema. 13. Energia interna e entalpia 14. Calor Específico 15. Primeira lei da termodinâmica para volume de controle 16. Segunda lei da termodinâmica 17. Entropia 18. Segunda lei da termodinâmica aplicada a volumes de controle 19. O ciclo de Carnot 20. Processos reversíveis. Bibliografia básica Termodinâmica. Assunção, Germano Scarabeli Custódio; Godoi, Pollianna Jesus de Paiva Mendes; EAN: 9788533500167, Editorial: Bookman/Sagah. Edição: 1ª. Termodinâmica. Çengel, Yunus A; Boles, Michael A.; EAN: 9788580552010, Editorial: McGraw- Hill/Bookman. Edição: 7ª. Termodinâmica para Engenheiros [Série Coleção Schaum]. Potter, Merle C.; Somerton, Craig W.; EAN: 9788582604397. Editorial: Bookman. Edição: 3ª. Bibliografia complementar Termodinâmica avançada. Josemere Both; EAN: 9788595026094. Editorial: Bookman/Sagah. Edição: 1 Transferência de Calor e Massa - Uma Abordagem Prática. Cengel, Yunus A.; Ghajar, Afshin J.; EAN: 9788580551280. Editorial: McGraw-Hill. Edição: 4 Física para Universitários - Relatividade, Oscilações, Ondas e Calor. Bauer, Wolfgang; Westfall, Gary D.; Dias, Helio. EAN: 9788580551600. Editorial: McGraw-Hill/Bookman. Edição: 1 Lições de Física - 3 Volumes - A Edição do Novo Milênio. Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew. EAN: 9788582605011. Editorial: Bookman. Edição: 2 Fundamentos da Termodinâmica Clássica (Acervo Físico). VAN WYLEN, G.; SONNTAG, R. E. EAN: 9788521201359. Editorial: Edgard Blucher. Edição: 4 Fisica II: Termodinâmica e Ondas (Acervo Físico). YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R. A. EAN: 9788543005737. Editorial: Addison Wesley. Edição: 10 Física - V2 (Termodinâmica e Óptica). Knight, Randall D. EAN: 9788577805389. Editorial: Bookman. Edição: 2 Atividades Semanalmente serão propostos exercícios; Motivação! As listas de exercícios não só avaliam a dedicação do aluno, mas também fazem parte do processo de aprendizado; Pensar e resolver os problemas propostos ajudam o aluno a criar maturidade e realmente entender o conteúdo. 11/03/2020 2 Chamada É necessário ter 75% de presença nas aulas. Atividades do estudo dirigido não entregues contabilizam faltas. Atrasos. photoxpress.com photoxpress.com Perguntas?Perguntas? TERMODINÂMICA • TERMO � relativo ao calor • DINÂMICA � que tem movimento • Movimento, provocado pelo calor, para realização de trabalho útil. TERMODINÂMICA Estuda as propriedades macroscópicas dos sistemas materiais e suas relações, mediantes uma descrição que considera as diferentes formas de manifestação e interconversão de energia. Conceitos fundamentais: •Sistema - aberto, fechado e isolado. •Fronteira - diatérmica e adiatérmica (adiabática). •Propriedades - intensivas e extensivas Qualquer trabalho implica em transformação de energia ! Qualquer agente capaz de realizar trabalho, convertendo energia de uma forma em outra, é considerado uma máquina. Ex. Máquina elétrica – transforma a energia elétrica em energia mecânica, como máquina de lavar roupas, liquidificador, furadeira. Ex. Máquina térmica - transforma a energia térmica em energia mecânica, como usina termoelétrica (mov. turbinas), trem a vapor (mov. rodas), motor a combustão interna (mov. rodas) 11/03/2020 3 Pensando bem... O corpo humano também é O corpo humano também é O corpo humano também é O corpo humano também é uma máquina ?!uma máquina ?!uma máquina ?!uma máquina ?! Transforma a energia química dos alimentos em energia térmica (mantém nossa temperatura), energia mecânica (caminhar, circulação do sangue), energia sonora (falar, cantar), energia elétrica (transmissão dos sentidos)... Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas Turbina a Vapor Usina Termoelétrica de Porto Alegre-RS • Usina Termoelétrica Porto Alegre, do tipo térmica a vapor, está localizada na margem esquerda do rio Gravataí, junto à BR 290, na área metropolitana de Porto Alegre, no estado do RS. • A Usina entrou em operação em 1968 com três unidades de 8 MW cada, totalizando 24 MW. Seus equipamentos utilizam óleo combustível, como fonte primária para a geração de energia elétrica. • Três caldeiras abrigadas do tipo circulação natural, utilizando fornalha de radiação, com dois balões, produzem 40 ton/h de vapor a 450ºC e a 42 Kg/cm² para alimentar as três turbinas, com 10 estágios que compõem o ciclo produtivo da Usina. • Características da Usina: Capacidade instalada: 24 MW 3 Turbinas: fabricante - Skoda (Tchecoeslovaquia) 3 Alternadores (3 x 8 MW): fabricante - Skoda 3 Caldeiras: fabricante - Z.SM.Kirova – Skoda Numa Usina Termoelétrica, a queima de um combustível* dentro da caldeira aquece a água, para transformá-la em vapor. O vapor exerce força suficiente para movimentar as turbinas a vapor, que estão ligadas aos geradores de eletricidade. Nesse caso, ocorrem sucessivamente as transformações: de energia química em térmica, em mecânica, em elétrica. • Nesse momento podemos lembrar da lei maior da natureza: a Lei de Conservação da Energia “A energia não pode ser criada nem destruída, somente transformada de uma forma em outra.” • Em acordo com essa, expressamos a Primeira Lei da Termodinâmica: “Quando uma quantidade de calor Q é absorvida ou cedida por um sistema, e um trabalho ττττ é realizado por esse sistema ou sobre 11/03/2020 4 Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas Motor a vapor O primeiro carro era movido a vapor, fabricado em 1721 [combustão é externa] As máquinas térmicas operam com um fluido – líquido ou gás – para o seu funcionamento. Quando um gás se expande, empurrando um pistão, rea- liza um trabalho positivo. Quando um gás sofre compressão, realiza um trabalho negativo. Isto é, foi realizado trabalho sobre o sistema. O vapor empurra o pistão, ligado a alavancas que movem as rodas para frente. O primeiro trem era movido pela força do vapor (maria-fumaça). Barco a vapor, idealizado por James Watt ... Mais tarde foi aperfeiçoado. • O motor a vapor não revolucionou • apenas o transporte, mas deu início a Revolução Industrial ocorrida na Europa. • A força manual seria substituída pela força do vapor – que movia pistões ligados a alavancas, e, com isso, movia os teares das indústrias. Tear movido a mão 11/03/2020 5 Os teares passaram a ser movidos pela força do vapor Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas Motor de Combustão Interna Em cada um dos cilindros, duas válvulas (1 e 2) e um pistão (3) 1 2 3 Esse motor também é chamado de motor quatro tempos: Veja os quatro tempos que compõem seu ciclo de funcionamento � ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPLOSÃO e EXPANSÃO ESCAPAMENTO ou EXAUSTÃO 11/03/2020 6 Analisemos a Segunda Lei da Termodinâmica: “É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, transforme em trabalho todo o calor fornecido a ela.” De fato, nenhuma máquina térmica consegue completar o ciclo sem ceder uma parte do calor para a fonte fria (normalmente o ambiente onde se encontra), não conseguindo, portanto, ter um rendimento de 100% na transformação do calor em trabalho. Se uma máquina térmica conseguisse transformar em trabalho todo calor fornecido a ela, teria rendimento de 100%, seria então chamada de máquina térmica ideal. • O rendimento R de uma máquina térmica é obtidoda relação entre o trabalho τ que ela realiza em cada ciclo e a quantidade de calor Q absorvido da fonte quente, ou seja, R = ττττ / Q. • Sadi Carnot expressou o rendimento máximo de uma máquina térmica: Rmáx = (T1 – T2) / T1, onde a temperatura da fonte fria T2 e a temperatura da fonte quente T1 são dadas em Kelvin. Devemos lembrar que: “Só é possível transformar calor em trabalho útil utilizando- se duas fontes de calor em temperaturas diferentes.” SOBRE - Motor a Jato usado em aviões É formado por 3 partes principais: COMPRESSOR – ele aspira o ar pela parte dianteira e o comprime, por meio de hélices diferenciadas. CÂMARA DE COMBUSTÃO ou COMBUSTOR – o ar comprimido entra, se mistura com o combustível (querosene) e se inflama, produzindo um gás de alta temperatura e alta pressão. TURBINA – é levada a girar em alta velocidade pelo gás quente que sai do combustor. Após passar pela turbina, o gás escapa num jato quente para trás, causando o impulso que o avião precisa ir para frente → Princípio da Ação e Reação. Compressor Combustor Turbina Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas Máquinas Refrigeradoras: Geladeiras Freezers Balcões frigoríficos 11/03/2020 7 Como essas máquinas esfriam? Um sistema de refrigeração necessita basicamente de 3 peças: Motor compressor (1), condensador (2) e evaporador (3) O trabalho do gás (freon) é transportar o calor do interior para o exterior da geladeira. O compressor comprime o gás, deixando-o na forma líquida, e empurra o mesmo pela tubulação do condensador. O gás entra no congelador, na parte chamada evaporador, onde retira calor do interior da geladeira. Transforma-se em vapor, ao retirar calor, e volta novamente para o compressor. Observação: • Como o calor passa da fonte fria (interna) para a fonte quente (externa), ao contrário das outras máquinas térmicas, dizemos que a geladeira é uma máquina térmica operando em sentido contrário. • A situação normal é o calor passar da fonte quente para a fria; assim, ele quer “entrar na geladeira” uma vez que o ambiente está mais quente. Por esse motivo, o motor precisa empurrar o calor para fora – causando um movimento da fonte fria para a quente. É um movimento forçado a acontecer, necessitando uso da energia elétrica! COMO CHEGAMOS A ESTA TECNOLOGIA DE TROCADORES DE CALOR E FLUXOS DE ENERGIA ? PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA •Equilíbrio térmico Dois corpos que estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo estão em equilíbrio térmico entre si. a bc a bc Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b e de c modificam-se Outros equilíbrios Equilíbrio mecânico: quando a pressão é a mesma em todos os pontos do sistema e também igual à pressão externa, no caso de fronteiras móveis temos o equilíbrio mecânico. •Equilíbrio químico: quando o potencial químico é igual em todas as parte do sistema. O estado de um sistema é definido pela sua descrição completa e inequívoca baseada na enumeração de suas propriedades macroscópicas. 11/03/2020 8 ESTADO TERMODINÂMICO Quando um sistema está em equilíbrio - isto é, suas propriedades termodinâmicas não variam com o tempo, diz- se que ele está em um determinado estado. O estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas variáveis termodinâmicas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de variáveis. TRABALHO: É uma transferência de energia que pode causar um movimento contra uma força que se opõe a esse movimento (w). •CALOR: Transferência de energia devida a uma diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças (q). TRABALHO E CALOR UNIDADE: [J] = kg.m2.s-2 sistema wFornece energia sistema wRetira energia Convenção de Sinais em Termodinâmica Convenção de Sinais W>0 – Trabalho realizado pelo sistema; W<0 – Trabalho realizado sobre o sistema. • Convenção de Sinais em Termodinâmica sistema qFornece calor sistema qRetira calor q>0 – Calor fornecido ao sistema; q<0 – Calor transferido do sistema. q>0 – Calor fornecido ao sistema; q<0 – Calor transferido do sistema. Tipos de trabalho trabalho Força motriz mecânico Força física (N) Eixo diferencial Torque (N) hidráulico Pressão (Pa) elétrico Voltagem (V) químico Concentração (mol.L-1) Unidade de calor: 1 caloria = 1cal = calor necessário para elevar a temperatura de um grama de água em um grau Celsius , e 1cal = 4,18J A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA wqU −=∆ Variação na energia interna do sistema Calor trocado pelo sistema Trabalho realizado pelo sistema 11/03/2020 9 Calor: Calor fornecido ao sistema leva a um aumento da temperatura podendo ser medido por um calorímetro. atemperaturdeaumento fornecidocalor caloríficacapacidade = T q c ∆ = cs = capacidade calorífica específica (cs = C/m); cm = capacidade calorífica molar (cm = C/n). JK-1mol-1 e JK-1g-1 calºC-1mol-1 e calºC-1g-1 •Calor sensível: o calor causa uma variação da temperatura do sistema - variação da energia cinética (∆Haq). •Calor latente: o calor não causa variação da temperatura do sistema - variação da energia potencial (∆Htr). tempo Te m p er at u ra ∆Htr ∆Haq ∆Haq FORMULAS E TERMOS TÉCNICOS DA TERMODINAMICA Termodinâmica Seção 1 – Conceitos, Definições e Princípios Básicos Profa. Regina Hidalgo Lindgren Objetivos: O aluno deverá reconhecer os conceitos, definições e princípios básicos necessários para o entendimento das leis da termodinâmica, bem como, o funcionamento dos sistemas térmicos. Resumo 1. Sistemas Fechados; 2. Sistemas Abertos ou Volumes de Controle; 3. Análises Macroscópica e Microscópica; 4. Propriedades Termodinâmicas; 5. Estado Termodinâmico; 6. Processo Termodinâmico; 7. Sistemas de Unidades; 8. Pressões; 9. Temperatura. 11/03/2020 10 Definições Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar. Pode ser simples como um corpo livre ou complexo como uma refinaria química inteira. A composição da matéria dentro de um sistema pode ser fixa ou variar em função das reações químicas ou nucleares. Definições (continuação) Tudo que é externo ao sistema é considerado parte da vizinhança do sistema O sistema é separado de sua vizinhança pela fronteira, que pode ser fixa ou móvel. Os sistemas podem ser fechados ou abertos. Sistemas Fechados Um sistema fechado é definido quando uma determinada quantidade fixa de matéria encontra-se em estudo. Um sistema fechado sempre contém a mesma quantidade de matéria. Com isso nunca pode haver fluxo de massa pela fronteira. Um sistema fechado que não interage de modo algum com sua vizinhança é denominado sistema isolado. A figura mostra um gás contido em um cilindro- pistão. Quando as válvulas estão fechadas, pode-se considerar o gás como um sistema fechado. Sistemas Fechados (continuação) A fronteira encontra-se no interior das paredes do cilindro e na superfície do pistão, conforme é representado pelas linhas tracejadas na figura. Como a fronteira entre o gás e o pistão se move com o pistão, o volume do sistema varia. Sistemas Fechados (continuação) Nenhuma massa atravessa essa fronteira ou qualquer outra parte do contorno. Se a combustão ocorrer, a composição da massa do sistema muda com relação a mistura inicial de ar- combustível, pois se transforma nos produtos da combustão. Sistemas Fechados (continuação) 11/03/2020 11 Sistemas Abertos ou Volumes de Controle Quando o objeto em estudo permite o fluxo de massa através da fronteira, trata-se de um sistema aberto denominado também de volume de controle. Para diferenciar do sistema fechado, a fronteira que separa o sistema aberto da vizinhança é denominada de superfície de controle, representada pelas linhas tracejadas (figura). Sistemas Abertos ou Volumes de Controle (continuação) Pode-se observar que ar, combustível e gases de exaustão atravessam a superfície de controle. Fonte Editora LTC Volume de controle em Biologia Volumesde Controle Fonte Editora LTC Volumes de Controle (continuação) Compressor de ar com armazenamento Fonte Editora LTC Volume de controle em botânica Volumes de Controle (continuação) Fonte Editora LTC Macroscópico/Microscópico Termodinâmica clássica: Realiza uma abordagem macroscópica, preocupando-se com o comportamento geral ou global das propriedades envolvidas nos sistemas estudados; Termodinâmica estatística: Realiza uma abordagem microscópica, preocupando-se diretamente com a estrutura da matéria que compõe os sistemas estudados. Utiliza a estatística como ferramenta para prever o comportamento médio das partículas do sistema. 11/03/2020 12 Propriedade Termodinâmica Propriedade – É uma característica macroscópica de um sistema, tal como, massa, volume, energia, pressão e temperatura, para as quais um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o conhecimento do comportamento prévio (caminho) do sistema. “Uma grandeza é uma propriedade se, e somente se, sua mudança de valor entre dois estados é independente do processo.” Propriedade Extensiva Quando o valor para o sistema é a soma de seus valores para as partes nas quais o sistema é dividido. Ex: massa, volume e energia. Intensiva Seus valores são independentes do tamanho ou da extensão do sistema e podem variar no espaço dentro do sistema. Ex: pressão e temperatura. Propriedade Termodinâmica (continuação) Para ilustrar a diferença entre propriedades intensivas e extensivas, considere uma porção de matéria com temperatura uniforme e imagine que ela é composta de várias partes. A figura abaixo mostra que a massa do conjunto é a soma das massas das partes, e o volume total é a soma dos volumes das partes. No entanto, a temperatura do todo não é a soma das temperaturas das partes; é a mesma para cada parte. A massa e o volume são propriedades extensivas, mas a temperatura é uma propriedade intensiva. Fonte Editora LTC Viu-se que as propriedades extensivas são proporcionais a massa, porém, se esta propriedade for dividida pela massa o resultado torna-se uma propriedade intensiva. Exemplo: = 3m kg V m ρ Volume (V) 3m=V Propriedade extensiva Volume Específico (v) = kg m m V 3 v Propriedade intensiva Massa específica (ρ) Assim sendo, propriedades extensivas como Massa e Energia tornam-se propriedades intensivas quando divididas pela massa. Como exemplo pode-se citar massa específica (ρ) e energia específica (e). Estado e Processo Termodinâmico Estado – Condição de um sistema descrito pelo conjunto de suas propriedades. Poucas propriedades definem todas as outras que compõem o estado termodinâmico do sistema. Estado de Equilíbrio – Ocorre quando o sistema encontra-se em equilíbrio mecânico, térmico, de fases e químico. Processo – É o caminho percorrido por um sistema entre dois estados de equilíbrio devido a variação de pelo menos uma de suas propriedades. Regime Permanente – É quando um sistema não apresenta variação de suas propriedades no tempo. As propriedades podem variar no espaço, mas não no tempo. 11/03/2020 13 Unidade de Massa, Comprimento, Tempo e Força Grandeza Sistema Internacional (SI) Sistema Inglês Unidade Símbolo Unidade Símbolo Massa Quilograma kg Libra-massa lb Comprimento metro m Pé ft Tempo segundo s Segundo s Força Newton = 1 kg. m/s2 N Libra-força lbf 32,1740 lb.ft/s2 Conversão de unidades 1 ft 0,3048 m 12 in 1 ft 1 lb 0,45359237 kg 1 lbf = (1 lb)(32,1740 ft/s2) 32,1740 lb.ft/s2 Prefixo das Unidades SI Fator Prefixo Símbolo 1012 tera T 109 giga G 106 mega M 103 quilo k 102 hecto h 10-2 centi c 10-3 mili m 10-6 micro μ 10-9 nano n 10-12 pico p Pressão Por definição, pressão é a razão da força pela área: = → A F p normal AA ' lim LPressão no interior de um fluido: Lgp ..ρ= Barômetro:aparelho utilizado para medir pressão atmosférica Lgpp vaporatm ..ρ+= ρ- massa específica do fluído; g- aceleração da gravidade; L-distância do ponto a super-fície livre do líquido. Pressão (continuação) Manômetro: Aparelho utilizado para medir pressão efetiva ou manométrica. Unidades de Pressão: Pascal = N/m2 1 bar = 105 N/m2 1 atm = 1,01325 x 105 N/m2 Lgpp Lgpp pp pp atmgás atmb gása ba .. .. ρ ρ += += = = Fonte Editora LTC Pressão (continuação) manatmabs ppp ±= Fonte Editora LTC 11/03/2020 14 O conceito de temperatura se origina das nossas percepções sensoriais. Usamos nosso sentido do tato para distinguir corpos quentes de frios e organizar os corpos em uma escala em função da ordem em que ele é “mais quente”, decidindo que 1 é mais quente que 2, que 2 é mais quente do que 3, e assim por diante. Temperatura photoxpress.com No entanto, por mais sensível que seja o tato humano, somos incapazes de avaliar essa quantidade de modo preciso. É difícil estabelecer uma definição de temperatura, porém a igualdade de temperatura é de mais fácil entendimento Temperatura (continuação) Temperatura (continuação) Considere dois blocos de cobre o suponha que nosso sentido nos diga que um está mais quente do que o outro. Se os blocos forem colocados em contato e isolados de suas vizinhanças, haverá entre eles a iteração térmica, ou seja, o corpo mais quente cederá calor ao corpo menos quente até que o equilíbrio térmico seja atingido. t = 0 T1 T2 Pode-se concluir que os blocos possuem uma propriedade física que determina se eles estão em equilíbrio térmico. Essa propriedade é chamada temperatura. t = 0 T1 T2 t = 200 s T3 T3 Temperatura (continuação) Lei Zero da Termodinâmica “Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si.” Se desejarmos saber se dois corpos apresentam a mesma temperatura, pode-se verificar se eles encontram- se individualmente em equilíbrio térmico com um terceiro. Este terceiro corpo pode ser um termômetro. Fonte Editora LTC Termômetros Para construção de termômetro necessita-se de dois referenciais de temperaturas fixas. Geralmente estes referenciais são o ponto de fusão e vaporização da água, pois geralmente as mudanças de fase ocorrem isotermicamente. 32)(8,1)( += CTFT oo 15,273)()( −= KTCT Conversões de Escalas de Temperaturas. Fonte Editora LTC
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