AULA01 Conceitos fundamentais Termodinamica

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FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA 
 
Como foi mostrado no início da disciplina, as três ciências térmicas: Termodinâmica, Mecânica 
dos Fluidos e Transferência de Calor, estão intimamente relacionadas. Sendo que, a 
termodinâmica é a mais básica, e que associada às leis da dinâmica (Física) proporciona o 
CONHECIMENTO sobre o qual se desenvolvem as relações usadas no estudo da Mecânica 
dos Fluidos e da Transferência de Calor. 
 
As definições básicas destas três ciências podem ser vistas a seguir: 
 
Mecânica dos Fluidos: A ciência que lida com o transporte de energia e a resistência ao 
movimento associada com o escoamento dos fluidos. 
 
Termodinâmica: A ciência que se preocupa com o estudo das transformações da 
energia e o relacionamento entre as várias grandezas físicas de uma 
substância, afetadas por aquelas transformações energéticas. 
 
Transferência de Calor: A ciência que descreve a transferência de uma determinada forma 
de energia como decorrência de uma diferença de temperatura. 
 
Origem e importância da Termodinâmica 
As origens da termodinâmica e suas leis estão nas invenções de caráter essencialmente 
prático da Revolução Industrial, particularmente o motor a vapor. essas invenções vieram 
substituir o trabalho do homem e do animal pelo trabalho mecânico realizado por motores a 
vapor. A obtenção do trabalho mecânico de uma máquina (o motor a vapor, por exemplo) 
exigia a queima de combustível e subsequente transferência de calor entre a chama e a 
substância atuante no motor (água, em geral). 
 
Não foi senão na segunda metade do século XIX que ficou plenamente reconhecido que o 
calor e o trabalho são transferências de energia, e que a energia é uma grandeza conservada. 
Entre os que contribuíram para o desenvolvimento destas ideias estavam Benjamin Thompson 
(1753-1814) e James Joule (1818-1889). Foi Thompson que reconheceu a impropriedade do 
tratamento do calor como um fluido (calórico) que podia fluir de um corpo para o outro. Com 
base em suas observações das altas temperaturas ao se fazer a abertura do cano de um 
canhão, propôs um relacionamento entre o calor e o trabalho realizado pelas forças de atrito. 
Em uma série de experimentos, Joule (que deu o nome à unidade do SI de energia) 
determinou a quantidade de trabalho mecânico equivalente ao calor na elevação da 
temperatura da água. 
 
Equipamentos termodinâmicos estão presentes no nosso dia a dia tal como os refrigeradores 
por compressão a vapor, ar condicionado, aquecedores de ambiente, e mesmo em aplicações 
de grandes equipamentos tal como usinas termoelétricas, foguetes e equipamentos de 
decomposição do ar (produção de oxigênio, nitrogênio, argônio, etc.). Devemos ressaltar que a 
termodinâmica é também de suma importância para o estudo de materiais, reações químicas e 
plasmas. 
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Termodinâmica Clássica 
Termodinâmica Clássica utiliza a abordagem macroscópica para o estudo das transformações 
energéticas em oposição à termodinâmica estatística, que se utiliza de uma abordagem 
microscópica ou molecular. Como o próprio nome indica, a abordagem macroscópica emprega 
um número muito grande de moléculas para o estudo, de tal forma que os valores médios das 
propriedades podem ser definidos para descrever o comportamento de uma substância. 
 
A abordagem microscópica, por sua vez, utiliza uma pequena quantia de substância para o 
estudo e tenta descrever o comportamento de cada molécula. Esta abordagem é usada 
amplamente nas literaturas que tratam da teoria cinética e mecânica estatística. 
 
Estaremos tratando neste nosso estudo basicamente a abordagem macroscópica assim como 
no caso da Mecânica dos Fluidos onde assumimos o fluido como contínuo, ao invés de serem 
constituídos de um número individual de partículas. 
 
 
Sistema Termodinâmico e volume de controle 
Sistema termodinâmico é definido como uma quantidade de matéria ou região de 
identidades fixas, para a qual nossa atenção está dirigida. Assim como mostrado na Teoria de 
Mecânica dos Fluidos, delimitamos um sistema termodinâmico em função daquilo que 
desejamos calcular. Assim, tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado de 
vizinhança ou exterior. 
 
O sistema termodinâmico a ser estudado é delimitado através de uma fronteira ou 
superfície de controle a qual pode ser móvel ou fixa. 
 
 Sistema caracteriza-se por uma massa definida de matéria e identidades fixas, distinta de 
todo o restante da mesma, que é chamada de vizinhança ou exterior. Um sistema 
termodinâmico é a região delimitada na qual não há fluxo de massa através das 
fronteiras que definem o sistema. 
A fronteira de um sistema é uma superfície fechada que pode variar com o tempo 
desde que contenha a mesma massa, qualquer que seja a transformação. 
 
Um exemplo de um sistema é a massa de gás confinado num cilindro e comprimido pelo 
movimento de um êmbolo, conforme mostrado na Figura 1, a seguir. 
 
Figura 1 Exemplo de um Sistema (fechado) 
 
 
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A figura 1 é representado é um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo de massa 
através das fronteiras do sistema. Se um bico de Bunsen (chama de gás) for colocado sob o 
cilindro, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. Quando o êmbolo se eleva, a 
fronteira do sistema se move. Como veremos, posteriormente, calor e trabalho cruzam a 
fronteira do sistema durante este processo, mas a matéria que compõe o mesmo permanece 
fixa, podendo ser sempre identificada. 
 
 
 Volume de Controle Ao contrário do sistema (também chamado de sistema fechado), o 
volume de controle (também chamado de sistema aberto) é o sistema 
termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de 
controle que define o sistema. 
 
Em muitos casos desejamos fazer uma análise termodinâmica de um equipamento, como um 
compressor de ar, que envolve o escoamento de massa para dentro e/ou para fora do 
equipamento, como mostrado na Figura 2, a seguir. O procedimento seguido consiste em 
determinar um volume de controle que envolve o equipamento a ser considerado. A superfície 
desse volume de controle é chamada de superfície de controle. Massa, assim como calor e 
trabalho (e quantidade de movimento) podem escoar através da superfície de controle. 
 
Figura 2 Exemplo de um volume de controle 
 
Assim, dependendo da interação entre o sistema termodinâmico definido para estudo, e 
a vizinhança, chamaremos a essa região de Sistema Fechado ( delimitado pela fronteira) ou 
Volume de Controle (delimitado pela superfície de controle) conforme se indicado nas 
definições acima. 
 
Podemos definir também o chamado sistema isolado, tal como: 
 
 Sistema Isolado Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado quando não é 
influenciado, de forma alguma, pelo exterior, ou seja, através das 
fronteiras não ocorre fluxo de calor (adiabático), massa, trabalho etc.. 
 
Análise de Termodinâmica de um volume de controle 
Se tomarmos como exemplo inicial o problema envolvendo uma análise termodinâmica de um 
compressor de ar, como mostrado na Figura 2, para ilustrar a definição de volume de controle. 
Conforme o procedimento, definimos para o volume de controle a chamada de superfície de 
controle. 
 
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Figura 3 Exemplo de um volume de controle 
 
Como pode ser observado na figura 3, massa, assim como calor e trabalho atravessam a 
superfície de controle. 
 
Admitindo que o processo ocorre em escoamento permanente, vale então a equação da 
continuidade, ou seja o princípio geral da Conservação da Massa para o volume de controle: 
 
𝑑𝑚
𝑑𝑡
=
𝜕
𝜕𝑡
∫ 𝜌𝑑𝑉
𝑣𝑐
+ ∫ 𝜌�⃗� ∙ 𝑑𝐴 
𝑠𝑐
= �̇�2 − 𝑚1 = 0̇ 
 
onde m a massa total. 
 
ou ainda, 
 
�̇� = 𝑚1 = �̇�2̇ = 1𝑄1 = 2𝑄2 ou �̇� = 𝑚1 = �̇�2
̇ = 
1
𝐴1𝑣1 = 2𝐴2𝑣2 
 
Aplicando a equação da energia para o mesmo volumede controle, teremos: 
 
 
Admitindo que o processo é regime permanente, teremos: 
 
 
𝜕
𝜕𝑡
∫ 𝑒𝜌𝑑∀= 0
𝑉𝐶
 onde 𝑒 =
𝑝
𝜌
+ 𝑔𝑧 +
𝑉2
2
+ 𝑢 é a energia específica 
 
Assim 
 
 
 
 
 
𝑄𝐻 
𝑊S 
𝑚1̇ 
𝑚2̇ 
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Simplificando a equação anterior, teremos a equação da energia para escoamento permanente 
através do volume de controle do compressor de ar: 
 
 
 
 
qH = calor fornecido à unidade de massa do ar; 
ws = trabalho do eixo do motor por unidade de massa do ar; 
p1 = pressão do ar na entrada do compressor; 
p2 = pressão do ar na saída do compressor; 
1 = massa específica do ar na entrada do compressor; 
2 = massa específica do ar na saída do compressor; 
z1 = z2 = cotas devido à energia de campo gravitacional; 
v1 = velocidade do ar na seção de entrada do compressor; 
v2 = velocidade do ar na seção de saída do compressor; 
u1 = energia interna (por unidade de massa) do ar na seção de entrada do compressor; 
u2 = energia interna (por unidade de massa)do ar na seção de saída do compressor. 
 
Podemos observar que para resolvermos um problema termodinâmico como o compressor de 
ar temos disponíveis apenas duas equações (continuidade e energia) e 11 a 12 parâmetros. 
Não é possível, como nos exemplos mostrados na Teoria de Mecânica de Fluidos, realizar 
simplificações uma vez que: 
 fluido é compressível 1 2 (massa específica) 
 processo não adiabático qH 0 (calor) 
 processo não isotérmico u1 u2 (energia interna) 
 
Na realidade os outros parâmetros como pressão, temperatura, velocidade dependem ou estão 
diretamente associadas as grandezas acima. A análise do problema necessita portanto que 
sejam introduzidos novos conceitos, que serão apresentados a seguir. 
 
 
Estado e Propriedades de uma substância 
Se considerarmos uma massa de água, reconhecemos que ela pode existir sob várias 
formas. Se é inicialmente líquida pode-se tornar vapor após aquecida ou sólida quando 
resfriada. Assim nos referimos às diferentes fases de uma substância: uma fase é definida 
como uma quantidade de matéria totalmente homogênea; quando mais de uma fase está 
presente, as fases se acham separadas entre si por meio dos contornos das fases. Em cada 
fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da 
termodinâmica, em vários estados. 
 
O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis; 
algumas das mais familiares são: temperatura, pressão, volume, etc. Cada uma das 
propriedades de uma substância num dado estado tem somente um valor definido e essa 
propriedade tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela 
qual a substância chegou a ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma 
quantidade que depende do estado do sistema e é independente do caminho (isto é, da 
 
 
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história) pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado é 
especificado ou descrito pelas propriedades. 
 
 
As Propriedades Termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as 
intensivas e as extensivas. 
 
 
 Propriedade Extensiva Chamamos de propriedade extensiva àquela que depende do 
tamanho (extensão) do sistema ou volume de controle. Assim, 
se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou 
imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à 
soma das propriedades das partes, esta é uma variável 
extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc. 
 
 Propriedade Intensiva Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, 
independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, 
Pressão etc. 
 
 
 Propriedade Específica 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. 
 
Exemplos de propriedades específicas: 
 
 
onde: m é a massa do sistema, o respectivo volume e U é a energia interna total do sistema. 
 
 
Processos e Ciclos de Problemas Termodinâmicos 
 
Quando qualquer propriedade do sistema é alterada, por exemplo; pressão, 
temperatura, massa, volume, etc., dizemos que houve uma mudança de estado no sistema 
termodinâmico. Por exemplo, quando é removido um dos pesos sobre o êmbolo da Figura 4, o 
êmbolo se eleva e mudança de estado ocorre, pois a pressão decresce e o volume específico 
aumenta. O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa é 
chamado de processo. 
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Figura 4 Exemplo de um Sistema que passa por um processo de mudança de estado 
 
 
 Processo: O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa 
é chamado processo. 
 
Exemplos de processos: 
 
 - Processo Adiabático sem transferência de calor 
 - Processo Isobárico pressão constante 
 - Processo Isocórico ou isométrico volume constante 
 - Processo Isoentálpico entalpia constante 
 - Processo Isoentrópico entropia constante 
 - Processo Isotérmico temperatura constante 
 
 
 
 Ciclo Termodinâmico: Quando um sistema (substância), em um dado estado inicial, passa 
por certo número de mudança de estados ou processos e 
finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo 
termodinâmico. 
 
Deve ser feita uma distinção entre ciclo termodinâmico, descrito acima, e um ciclo 
mecânico. Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a 
cada duas rotações. Entretanto o fluido de trabalho não percorreu um ciclo termodinâmico 
dentro do motor, uma vez que o ar e o combustível são queimados e transformados nos 
produtos de combustão, que são descarregados para a atmosfera.