Conceitos Fundamentais

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TERMODINÂMICA I
Prof. Mauricio Alvarez Muñoz
Escola Politécnica UFBA
Departamento de Engenharia Química
1 – Introdução. Conceitos. Preliminares
TERMODINÂMICA 
do Grego THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia
DYNAMIS - FORÇA
Fenômenos de energia e de propriedades relacionadas da matéria
Transformações energéticas de quaisquer espécies
Termodinâmica
Porque estudar Termodinâmica?
Análise de diversos processos que ocorrem em equipamentos industriais de grande importância
Centrais termoelétricas
Refrigeradores por compressão de vapor
Equipamentos de decomposição de ar, entre outros
Projetar estes equipamentos e sistemas com o objetivo de construí-los dentro do menos custo razoável e obter destes, em operação, a maior eficiência energética possível. 
ÁREAS DE INTERESSE
Física - princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.
Termodinâmica na Engenharia.
Motores de automóveis
Turbinas
Bombas e Compressores
Usinas Térmicas (nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte térmica)
Sistemas de propulsão para aviões e foguetes
Sistemas de combustão
Sistemas criogênicos, separação de gases e liquefação
Aquecimento, ventilação e ar condicionado	
Refrigeração (por compressão de vapor , absorção ou adsorção)
Bombas de calor
Sistemas energéticos alternativos
Células de combustível
Dispositivos termoelétricos e termoiônicos
Conversores magnetohidrodinâmicos (MHD)
Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, 	refrigeração e produção de energia elétrica
Sistemas Geotérmicos
Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das 	marés)
Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica)
Aplicações biomédicas
Sistemas de suporte à vida
Órgãos artificiais 
Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região escolhida no espaço
A superfície real ou imaginaria que separa o sistema dos arredores ou vizinhança é designada por fronteira, a qual pode ser fixa ou móvel
SISTEMAS TERMODINÂMICOS
Transferência de Massa
e Energia
Sistema + Meio = Universo
Sistema
SISTEMA
VIZINHANÇA
Quantidade de matéria que está em estudo.
superfície de controle
Tudo aquilo externo à superfície de controle
SISTEMAS TERMODINÂMICOS
contorno, paredes, fronteiras o limites do sistema
TIPOS DE SISTEMA 
SISTEMA FECHADO
MASSA DE CONTROLE
MASSA CONSTANTE
SÓ PERMITE TRANSFERÊNCIA DE
ENERGIA
TIPOS DE SISTEMA 
SISTEMA ABERTO
PERMITE TRANSFERÊNCIA DE
MASSA E ENERGIA
Compressores, Turbinas
Aquecedores de Água
TIPOS DE SISTEMA 
SISTEMA ISOLADO
NÃO PERMITE TRANSFERÊNCIA DE
MASSA E ENERGIA
UNIVERSO
TIPOS DE SISTEMA 
Volume de Controle
Em muitos casos, se quer realizar um estudo de um
equipamento qualquer, um compressor de ar ou um refrigerador, por exemplo, que envolva uma vazão de massa (ar ou freon, amônia) para dentro ou para fora do equipamento, devemos estabelecer, então, o chamado Volume de Controle envolvendo o equipamento. As superfícies envolventes são as superfícies de
controle e, neste caso, estas não se deslocam: o volume é fixo.
Gás
Peso
Vizinhança
Êmbolo
Fronteira do Sistema
Turbina
Volume de controle
SISTEMAS TERMODINÂMICOS
ESTADO E PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA
FASE
Quantidade de matéria totalmente homogênea 
ESTADO
Temperatura
Pressão
Massa Especifica
PROPRIEDADES
Cada uma das propriedades num dado estado ,
apresenta um determinado valor e essas propriedades
tem sempre o mesmo valor para um dado estado
INTENSIVAS
EXTENSIVAS
Independente da massa:
 Temperatura pressão
Depende da massa:
Massa, volume
PROPRIEDADES ESPECIFICAS
Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema.
onde: M é a massa do sistema, V o respectivo volume e U é a energia interna total do sistema.
EQUILIBRIO TERMODINÂMICO
Equilibrio mecánico 
Acontece quando a força resultante que atua no sistema é nula ou, em outras palavras, quando o somatório das forças aplicadas ao sistema é igual a zero.
Equilibrio térmico
EQUILIBRIO TERMODINÂMICO
Temperatura uniforme na totalidade do sistema e é a mesma a do meio rodante
Equilibrio químico
EQUILIBRIO TERMODINÂMICO
É uma reação reversível na qual a velocidade da reação direta é igual à da reação inversa e, conseqüentemente, as concentrações de todas as substâncias participantes permanecem constantes.
EQUILIBRIO TERMODINÂMICO
Equilibrio mecánico 
Equilibrio térmico
Equilibrio químico
PROCESSOS E CICLOS
Valor da propriedade do sistema é alterado
MUDANÇA DE ESTADO
Caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre
PROCESSOS
PROCESSO
Gás
Peso
1
Gás
Peso
2
PROCESSOS CICLICOS
é um processo em que o sistema retoma ao mesmo estado inicial após uma série de transformações
PROCESSO IDEAL OU QUASEESTATICO
É aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio.
Processo Isotérmico
Processo ocorre a TEMPERATURA constante.
Processo Isobárico
Processo ocorre a PRESSÃO constante.
Processo Isocórico
Processo ocorre a VOLUME constante.
Processo Adiabatico
Processo isolado não há troca de calor com o meio .
Pressão
Quando trabalhamos com líquidos e gases, a pressão passa ser uma variável importante, entretanto, quando lidamos com os sólidos a tensão passa ser representativa.
Pressão de um fluido em repouso é igual em todas as direções, e definimos com sendo a componente normal da força por unidade de área. 
Pressão
F
A
P
. Pressão – É a força exercida por unidade de área, pode ser calculada pela relação:
p= F/A [p] = N/m2
Onde: p = pressão, f= Força, a= Área.
Considere-se um recipiente cilíndrico, que contém um gás ideal, provido de um êmbolo, de área A, que pode deslocar-se sem atrito, quando submetido a uma força resultante de intensidade F exercida pelo gás, como mostra a figura seguinte
Pressão
Tipos de Pressão: Atmosférica, manométrica ou relativa e absoluta
Pressão Atmosférica - Como o ar tem peso e está sujeito a ação da gravidade, exerce uma pressão, denominada pressão atmosférica. 
Ao nível do mar: 1atm = 1,033 Kg/cm2 = 14,7 lb/in2 = 760 mm Hg de mercúrio
Pressão
A PRESSÃO EFETIVA, MANOMÉTRICA OU RELATIVA - é simplesmente o valor da pressão causada pela altura da coluna de líquido em uma dada profundidade de um recipiente.
Pressão Absoluta = Pressão Manométrica + Pressão Atmosférica
 a diferença de pressão entre a pressão absoluta P e a pressão atmosférica Patm é conhecida como pressão de calibre. Muitos medidores de pressão só informam a pressão de calibre.
P = Patm + ρgh
Medidores de pressão
A relação entre pressão e profundidade é muito utilizada em instrumentos que medem pressão. Exemplos são  o manômetro com tubo fechado e o de tubo aberto. 
A medida é feita comparando-se a pressão em um lado do tubo com uma pressão conhecida (calibrada) no outro lado (veja figura abaixo).
Manômetro de
 tubo fechado:     
 P =  ρgh       
Pressão
Pressão
Manômetro de Bourdon
Barômetros
Pressão
Lei ZERO da Termodinâmica
De acordo com a figura, notamos que um corpo está em equilíbrio térmico quando todas as suas partes estão à mesma temperatura.
Lei ZERO da Termodinâmica
Consideremos dois objetos A e B. Se um terceiro objeto T está em equilíbrio térmico com A e também em equilíbrio térmico com B, então A e B estão em equilíbrio entre si
É essa lei que garante a possibilidade de usarmos um termômetro T para averiguar se dois corpos A e B estão em equilíbrio. Para isso, basta conferir se os dois corpos têm a mesma temperatura
Temperatura
SISTEMA DE UNIDADES
Grandeza Nomeda Unidade Símbolo
Comprimento metro m
Tempo segundo s
Massa quilograma kg
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) E O SISTEMA INGLES
Exercícios
(2.13, 6ªEdição): Um manômetro indica que a diferença de pressão num escoamento é igual a 1m de coluna de mercúrio. Determine o valor de em kPa.
(2.18, 6ª Edição): Um tornado arrancou um teto horizontal de um galpão. A área e o peso do teto são, respectivamente, iguais a 100m2 e 1000kg. Qual é a pressão mínima necessária (vácuo) para que isso ocorra? Admita que o teto estava simplesmente apoiado.
R.: 133,2kPa
R.: 0,098kPa
(2.21, 6ª Edição): A massa específica da água líquida pode ser aproximada por ρ = 1008 – T/2 [kg/m3] onde T é a temperatura em oC. Determine o aumenta da espessura da lâmina d’água, que originalmente apresenta espessura de 1m, se a temperatura da água aumentar 10oC.
R.: 0,0049m
Exercícios
(2.22, 6ª Edição): Converta a equação para a massa específica da agua da questão 2.21 para que ela opere com a temperatura expressa em Kelvin.
(2.23, 6ª Edição): Um cilindro de aço, com massa igual a 2 kg, contém 4L de água líquida a 25oC e 200kPa. Determine a massa total e o volume do sistema. Faça uma lista que apresente duas propriedades extensivas e três propriedades intensivas da água no estado fornecido.
R.: 1144,6 – T/2
m = 5,988kg ; V = 4,26L; PI: Pressão, Temperatura e Massa Específica. PE: Massa e Volume.
(2.25 , 6ª Edição): Um kgf é o peso de kg no campo gravitacional padrão. Qual é o equivalente de 1kgf em N?
R.: 9,8N
Exercícios
(2.57 , 6ª Edição): Um cilindro que apresenta área de seção transversal “A” contém água líquida, com massa específica “ρ”, até a altura “H”. O cilindro apresenta um pistão inferior que pode ser movido pela ação do ar comprimido (ver ilustração). Deduza a equação para a pressão do ar em função de “h”
H
h
Ar
Exercícios
( 2.73 , 6ª Edição): O conjunto cilindro pistão mostrado na ilustração abaixo estão conectados por uma tubulação. Os conjuntos A e B contém um gás e as áreas das seções transversais são respectivamente iguais a 75 e 25cm2. A massa do pistão do conjunto A é igual a 25kg, a pressão ambiente é igual a 100kPa e o valor da aceleração da gravidade é o normal. Calcule, nestas condições, a massa do pistão do conjunto B de modo que nenhum dos pistões fique apoiado nas superfícies inferiores dos cilindros.
B
A
R.: 8,33kg
o
P
g
(
)
2
FN
PPa
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