Fundamentos_Da_Termodinamica_7a_Ed_Van_W

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Série Van WylenSérie Van Wylen
BORGNAKKEBORGNAKKE ·· SONNTAG SONNTAG
TEXTOTEXTO
INTEGRALINTEGRAL
 t
 r
 a d
 u uçã o d 
a 
E 
D 
I 
 Ç 
 Ã 
O O A AMM E R I C
 A
 N
 A88ªª
TERMODINAMICA TERMODINAMICA 
FUNDAMENTOS DA FUNDAMENTOS DA 
 
1Prefácio
 
SÉRIE VAN WYLEN
Fundamentos da
Termodinâmica
Tradução da 8ª edição norte-americana
 
2 Fundamentos da Termodinâmica
Tradução
 Prof. Dr. Roberto de Aguiar Peixoto
 Prof. Dr. Marcello Nitz
 Prof. Dr. Marco Antonio Soares de Paiva
 Prof. Dr. José Alberto Domingues Rodrigues
 Prof. Dr. Efraim Cekinski
 Prof. Dr. Antônio Luiz Pacífico
 Prof. Dr. Celso Argachoy
 Prof. MSc. Joseph Saab
 Prof. MSc. João Carlos Coelho
 Prof. MSc. Arivaldo Esteves
 Prof. MSc. Clayton Barcelos Zabeu
Coordenação e Revisão Técnica
 Prof. Dr. Roberto de Aguiar Peixoto
 
3Prefácio
 
SÉRIE VAN WYLEN
Claus Borgnakke
Richar d E. Sonntag
University of Michigan
Fundamentos da
Termodinâmica
Tradução da 8ª edição norte-americana
 
4 Fundamentos da Termodinâmica
Segundo Novo Acordo Ortográfico, conforme 5. ed.do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa ,
Academia Brasileira de Letras, março de 2009.
É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem
autorização escrita da editora.
Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda.
Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4-º andar
04531-012 - São Paulo - SP - Brasil
Tel.: 55 11 3078-5366
contato@blucher.com.brcontato@blucher.com.br
www.blucher.com.brwww.blucher.com.br
Índices para catálogo sistemático:
1. Termodinâmica
Borgnakke, Claus
 Fundamentos da termodinâmica / Claus Borgnakke, Richard E.
Sonntag; coordenação e tradução de Roberto de Aguiar Peixoto. – São
Paulo: Blucher, 2013.
 
(Série Van Wylen)
 Tradução da 8ª edição norte-americana
 ISBN 978-65-212-0792-4
 Título srcinal: Fundamentals of Thermodynamics
13-055 CDD 621.4021
FICHA CATALOGRÁFICA
Título srcinal
Fundamentals of Thermodynamics
A 8ª edição em língua inglesa foi publicada por JOHN WILEY & SONS, INC.
copyright © 20132013 by John Wiley & Sons, Inc.
Fundamentos da Termodinâmica 
copyright © 2013, Editora Edgard Blücher Ltda.
 
5Prefácio
Prefácio
 
6 Fundamentos da Termodinâmica
NOVAS CARACTERÍSTICAS DESTA
EDIÇÃO
Reorganização dos Capítulos e Revisões
equação da energia equação da entropia
 
7Prefácio
disponibilidade exer-
 gia
entalpia de combustão
Material disponível na web
Notas de termodinâmica clássica.Notas de termodinâmica clássica.
Conjunto ampliado de exemplos.Conjunto ampliado de exemplos.
Notas sobre como fazer.Notas sobre como fazer.
u h
Material do instrutor.Material do instrutor.
CARACTERÍSTICAS CONTINUADAS DA
7ª EDIÇÃO
Questões Conceituais nos Capítulos
 
8 Fundamentos da Termodinâmica
 Aplicações na Engenharia ao Final dos
Capítulos
Resumos ao Final dos Capítulos
Conceitos e Fórmulas Principais
Problemas Conceituais
Problemas para Estudo
Tabelas
Software Incluído
 software
 software
 
9Prefácio
Ther-
 mo-dynamic and Transport Properties
T-s
 P
FLEXIBILIDADE NA COBERTURA E
ESCOPO
 AGRADECIMENTOS
 Montana State University
Texas Tech University
University of Kansas
Virginia Polytechnic
 Institute and State University
University of Pittsburgh
 Montana State University
 Louisiana State University
University of
 Southern California
 New Mexico State University
Wright State University
Wayne State University
 New Jersey Institute of
Technology
 Purdue University
 Auburn University
 Louisiana Tech University
University of Texas, San
 Antonio
 
10 Fundamentos da Termodinâmica
 Missouri University of
 Science and Technology
University of Cincinnati
University of North Caroli-
 na, Charlotte
California State University,
 Long Beach
Widener University
 Kettering University
Wright State University
University of California, San-
ta Barbara
 Ann Arbor, Michigan
 Julho de 2012
 
11Prefácio
Prefácio à Edição
Brasileira
 Reações Químicas Introdução ao Equilíbrio de Fases e ao
 Equilíbrio Químico Escoamento Compressível
 software
T-s P v
 
12 Fundamentos da Termodinâmica
 ferramentas
 Prof. Dr. Roberto de Aguiar Peixoto
 
13Conteúdo
Conteúdo
1 Introdução e Comentários Preliminares, 21
2 Propriedades de uma Substância Pura, 53 
 P-v-T 
 
14 Fundamentos da Termodinâmica
3 A Primeira Lei da Termodinâmica e Equação da Energia, 89 
4 Análise Energética para um Volume de Controle, 157
5 A Segunda Lei da Termodinâmica, 203
6 Entropia, 241
 
15Conteúdo
7 Segunda Lei da Termodinâmica Aplicada a Volumes de Controle, 291
8 Exergia, 335
9 Sistemas de Potência e Refrigeração – com Mudança de Fase, 369
 
16 Fundamentos da Termodinâmica
10 Sistemas de Potência e Refrigeração – Fluidos de Trabalhos Gasosos, 419 
11 Mistura de Gases, 463
12 Relações Termodinâmicas, 499
13 Reações Químicas, 543
 
17Conteúdo
14 Introdução ao Equilíbrio de Fases e ao Equilíbrio Químico, 593
15 Escoamento Compressível, 623
 Apêndice A – Propriedades Gerais, 659
 Apêndice B – Propriedades Termodinâmicas, 675
 Apêndice C – Calor Específco de Gás Ideal, 708
 Apêndice D – Equações de Estado, 710
 Apêndice E – Figuras, 715
 
18 Fundamentos da Termodinâmica
Respostas para Problemas Selecionados, 719
Índice Remissivo, 725 
 
19Conteúdo
Símbolos
a
 A
a A
 AC
 Bs
 BT 
c
CA
C D
C p
C v
C p
C v
β 
e E
 EC
 EP
 F 
 g
 g G
h H 
i
 I 
 J 
k C p C v
 K 
 L
 m
 m
 M 
 M 
 n
 n
 P
 PC
 
20 Fundamentos da Termodinâmica
 Pi i
 Pr P Pc
 Pr 
q Q
Q
Q H Q L
 R RC
 R
 – 
 s S
 S ger 
 S· ger 
t
T 
Tr 
u U 
 v V 
 vr 
 V V 
 w W 
W 
 wrev
 x
y
y
 Z 
 Z 
 Z 
Letras ManuscritasLetras Manuscritas



Letras GregasLetras Gregas
α 
α 
α P
β 
β ′
β S
β T 
δ ρ ρ c
η
µ
µ J 
ν 
ρ 
τ T T c
τ 
T r 
Φ 
f f Φ 
y 
ω 
ω 
SubscritosSubscritos
c
e
 f 
 s
 sl
iv
l
lv
r 
 s
 s
 v
SobrescritosSobrescritos
V H S U A G
 
21Introdução e Comentários Preliminares
Introdução e
ComentáriosPreliminares
 
 1
 
22 Fundamentos da Termodinâmica
Figura 1.1
Central termoelétrica Esbjerg, Dinamarca. (Cortesia Dong
Energy A/S, Denmark.)
Sistema de
distribuição
elétrico
Chaminé
Calcário
Cinza
volante
Moedor
de carvão
Óleo
Ar
Cinza
fundida
Silo de
carvão
Turbina Gerador elétrico
Sistema de
resfriamento
(aquecimento
distrital)
Trocador
de calor
Lavador
de
gases
Despoeirador
Tambor
de vapor
(tubulão)
Produtos de combustão
Bomba
Figura 1.2
Esquema de uma central termoelétrica a vapor.
Calor para o ambiente
3
1
2
4
Compressor
Condensador
Trabalho
Evaporador
Vapor baixa
temperatura
Vapor alta
temperatura
Líquido
Líquido frio
+ vapor
Válvula de
expansão ou
tubo capilar
Calor do espaço
refrigerado
Figura 1.3
Esquema de um refrigerador.
 
23Introdução e Comentários Preliminares
1.1 O SISTEMA TERMODINÂMICO E O
VOLUME DE CONTROLE
Pesos
Êmbolo
Fronteira
do sistema
gg
PP0
Gás
Figura 1.4
Exemplo de sistema.
 
24 Fundamentos da Termodinâmica
1.2 PONTOS DE VISTA MACROSCÓPI-
CO E MICROSCÓPICO
 macroscópico
 Introduction to thermo-
dynamics: c lassical and statistical
Superfície
de controle
Calor
Descarga
de ar a alta
pressão
Trabalho
Compressor
de ar
Admissão
de ar a baixa
pressão
Motor
Figura 1.5
Exemplo de um volume de controle.
 
25Introdução e Comentários Preliminares
1.3 ESTADO E PROPRIEDADES DE
UMA SUBSTÂNCIA
 
26 Fundamentos da Termodinâmica
1.4 PROCESSOS E CICLOS
quase-equilíbrio
iso
1.5 UNIDADES DE MASSA, COMPRI-
MENTO, TEMPO E FORÇA 
Pesos
Êmbolo
Fronteira
do sistema
gg
PP0
Gás
Figura 1.6 
Exemplo de um processo de quase-equilíbrio em um
sistema.
 
27Introdução e Comentários Preliminares
 F α ma
dia
 solar médio
 mili, micro, nano pico
Tabela 1.1
Prefixos das unidades do SI
Fator Prefixo Símbolo Fator Prefixo Símbolo
1012 tera T 10 –3 mili m
109 giga G 10 –6 micro µ 
106 mega M 10 –9 nano n
103 quilo k 10 –12 pico p
 grama-molF ma
 
28 Fundamentos da Termodinâmica
libra
 peso
EXEMPLO 1.1
Solução:Solução:
 F = mg
QUESTÕES CONCEITUAIS
a.a.
b.b.
 
29Introdução e Comentários Preliminares
1.6 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA
ESPECÍFICA
 v
ρ
δ V 
δ V 
δ m
V 
 mV V 
ν 
 δ 
δ 
=
δ δ → ′
δ V ′
δ V ′
 v
ρ
v
δ V 
δ V 
δ m
δ V 
Figura 1.7
Limite do contínuo para o volume específico.
 
30 Fundamentos da Termodinâmica
EXEMPLO 1.2
Solução:Solução:
 v V m ρ m V v
 m = ρ V =
=
 m = ρ V =
=
 m = ρ V = =
 m = ρ V = =
 m = m + m + m + m =
=
 v = V m = =
=
ρ = m V = =
Ar
Figura 1.9
Esboço para o Exemplo 1.2.
FibrasAr
atm.
Gases
sob vácuo
Madeira Al Chumbo
Tecido
de algodão
Propano Água Hg
Poeira
de gelo Ag Au
10 –2 10 –1 100 101
Massa específica [kg/m3]
102 103 104
Sólidos
Líquidos
Gases
Figura 1.8
Densidade de substâncias comuns.
 
31Introdução e Comentários Preliminares
QUESTÕES CONCEITUAIS
c.c.
d.d.
ρ T T 
1.7 PRESSÃO
δ A δ A′
δ F n 
δ A P
 P
 F 
 A A A
 n
δ 
δ 
=
δ δ → ′
δ A
δ V 
 P
 pascal
Gás
P
 F ext
Figura 1.10
Equilíbrio de forças em uma fronteira móvel.
 
32 Fundamentos da Termodinâmica
EXEMPLO 1.3
 D
 P
 Solução:Solução:
 F = ma =
 P A – P A – A – F – m P g
 F = P A – P A – A – m P g
π π 
π 
π π 
π 
 A r D m
 A r D m
 F = (( )) −− – (( ))
(( −− – −− )) – 
= – – =
P0
 Ahaste
Pcil
F 
Figura 1.11
Esboço para o Exemplo 1.3.
 H 
 B
 P A mg P A + ρ AHg
 m
 A ρ
 P B A
 P B p ρ Hg
 A B
 A B
Pabs,1
Patm
Pabs,2
Manômetro comum
PP = PPabs,1 – P Patm
Manômetro de vácuo
PP = PPatm – P Pabs,2
Barômetro lê a
pressão atmosférica
OO
P
∆
∆
Figura 1.12
Ilustração dos termos utilizados em medidas de pressão.
 
33Introdução e Comentários Preliminares
 P A
 ∆ P P P ρ Hg
 pascal
 P ρ gH 
EXEMPLO 1.4
Solução:Solução:
 P ρ gH ×
 0 0 0 0 1717
 
34 Fundamentos da Termodinâmica
EXEMPLO 1.6
 
 H H 
Figura 1.15
Tanque do Exemplo 1.6.
Solução:Solução:
ρ ρ R
∆ P ρ gH 
 P P ∆ P
 P
 P
 P ρ g h
 P P g h
 H 
∫ ρ = −
 P
QUESTÕES CONCEITUAIS
e.e.
f.f.
 A
g.g.
1.8 ENERGIA 
 E U 
e E m u ec ep u V gz
ω 
 u u u
u
 
35Introdução e Comentários Preliminares
EXEMPLO 1.7
Solução:Solução:
 F P A P A
 P P F A
 P P ρ gH
 F P A P A
 F P P A
 H H 
F F 2
F F 1
PP1
PP2
Figura 1.16
Esboço para o Exemplo 1.7.
 u u u
u u
 
36 Fundamentos da Termodinâmica
 spin
 f 
 f 
 x y z
 f 
 x y z
y
 x z
y
y
 f 
 x
 y
 z
Figura 1.17
Sistema de coordenadas para uma molécula diatônica.
O
H H
O
H H
O
HH
Figura 1.18
Os três principais modos de vibração para a molécula de
H2O.
 
37Introdução e Comentários Preliminares
1.9 IGUALDADE DE TEMPERATURA 
1.10 A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Vapor H2O
Líquido H2O
Calor
Figura 1.19
Calor transferido para água.
 
38 Fundamentos da Termodinâmica
1.11 ESCALAS DE TEMPERATURA 
 
39Introdução e Comentários Preliminares
1.12 APLICAÇÕES NA ENGENHARIA
Figura 1.20
Compressor de ar com cilindro de armazenamento. (© zilli/ 
iStockphoto)
 1
 0
 2 0
 3 0
 4 0
 5 0
6 0 
 0
 . 5
 1
 1. 5
2
 2. 5
 3 
 3. 5
4
 
 1
 0
0 
 . 5 .
 
 1. 5
.
 
 5
. 5
4
Figura 1.21
Manômetro para calibração da pressão de pneus
automotivos.
 
40 Fundamentos da Termodinâmica
 jet ski
Saída de fluido
Figura 1.22
Desenho esquemático de uma válvula de segurança.
Ar para
o motor Borboleta
Linha para o
retardamento do vácuo
Trava da
borboleta
Borboleta
Batente
Linha para o
avanço do vácuo
Figura 1.23
Dispositivo para regulagem da vazão de ar de admissão
em um motor automotivo.
Fluxo
Pressão estática + dinâmica
∆P 
Pressão estática
ManômetroManômetro
Figura 1.24
Esquema de sistema de medição da velocidade de um fluido.
 7 5
 0
 7 2
 0
 7
 3
 0
 7
 4
 0
7 60
7 
7 
0 
7 
8 
0 
 7 
 9 
 0 
 7 0
 0
 7 1 0
 9 4 0
 9 5
 0
 9
 6
 0
 9
 7
 0
 9
 8
 0
 9
 9
 0
 1 0
 0 0
1010 1 0 2 0 
1 
0 
3 
0 
1 
0 
4 
0 
 1 
 0 
 5 
 0 
 1
 0 6 0
Figura 1.25
Barômetro aneroide.
 
41Introdução e Comentários Preliminares
Termopar
com capade proteção
Termopar
com capa
de proteção
e com fios
isolados da
capa
Termopar
soldadona capa de
proteção
Termopar
com juntaexposta para
resposta
rápida
Temopar
com junta
exposta
Figura 1.26
Termopares.
RESUMO
ρ
 v P T 
 v
 
42 Fundamentos da Termodinâmica
V 
 F V 
a
 P T v ρ 
CONCEITOS E EQUAÇÕES PRINCIPAIS
 P
 F 
 A
= A
V 
 m
ν =
 m
V 
ρ =
∆ P ρ gH = – ∫ ρ g dh 
 H g ρ 
 K 
eu V gz= + + 
 v ρ V m
 P P
 v ρ P T 
 
43Introdução e Comentários Preliminares
 F ma
a
d x
dt
d
dt
 V V 
= =
dx
dt
 V V =
PROBLEMAS CONCEITUAIS
1.11.1
1.21.2
1.31.3 P F V v
 ρT a m L t V 
1.41.4
1.51.5
1.61.6
1.71.7
1.81.8
T P
1.91.9
1.101.10
1.111.11
1.121.12
1.131.13
1.141.14
 P
1.151.15
1.161.16
1.171.17
 
44 Fundamentos da Termodinâmica
1.181.18
1.191.19
1.201.20
 versus
1.211.21
 Dica
PROBLEMAS PARA ESTUDO
PropriedadePropriedades e s e UnidadesUnidades
1.221.22
1.231.23
1.241.24
1.251.25
1.261.26
1.271.27
1.281.28 g
 z
 g z
1.291.29
1.301.30
1.311.31
1.321.32
 
45Introdução e Comentários Preliminares
1.331.33
1.341.34
1.351.35
1.361.36
 V Volume Esolume Específicopecífico
1.371.37
1.381.38
1.391.39
1.401.40
1.411.41
1.421.42 
PressãoPressão
1.431.43
Psaída
 Aválvula
Pcil
FIGURA P1.44FIGURA P1.44
1.441.44
1.451.45
 
46 Fundamentos da Termodinâmica
1.461.46
1.471.47
1.481.48
1.491.49
1.501.50
PP0
gg
Água
FIGURA P1.50FIGURA P1.50
1.511.51
1.521.52
1.531.53
1.541.54
1.551.55
Gasolina1 m
0,5 m
2,5 m
Ar
P0
Água
FIGURA P1.55FIGURA P1.55
1.561.56
1.571.57
1.581.58
 
47Introdução e Comentários Preliminares
1.591.59
Concreto
Oceano
Ar
10 m
FIGURA P1.59FIGURA P1.59
1.601.60
1.611.61
ρ H 
h
g
Ar
 H 
h
FIGURA P1.61FIGURA P1.61
Manômetros e BarômetrosManômetros e Barômetros
1.621.62
1.631.63
1.641.64
 P P
 H L L
 P
1.651.65
1.661.66
1.671.67 ∆ P
1.681.68
 P
1.691.69
1.701.70
1.711.71
 
48 Fundamentos da Termodinâmica
1.721.72
1.731.73
1.741.74
1.751.75
ρ
1.761.76
1.771.77
ρ
30∞
h h 
LL
 FIGURA P1.77FIGURA P1.77
 
1.781.78
0,7 m
P0 = 101 kPa
0,1 m
Óleo
Água0,3 m
FIGURA P1.78FIGURA P1.78
1.791.79
1.801.80
ρ
h
g
 P0
 A
 B
h
P0
FIGURA P1.80FIGURA P1.80
 
49Introdução e Comentários Preliminares
1.811.81
gg
PP0
 A A
 B B
PP0
FIGURA P1.81FIGURA P1.81
1.821.82
1.831.83
 g
Ar
gg
FIGURA P1.83FIGURA P1.83
Energia e TemperaturaEnergia e Temperatura
1.841.84
1.851.85
1.861.86
1.871.87
1.881.88 m
 m
kT k
T 
1.891.89
1.901.90
1.911.91
 ρ T 
T 
 
50 Fundamentos da Termodinâmica
1.921.92
1.931.93
ρ T T 
1.941.94
1.951.95
T 
 z z
Problemas para RevisãoProblemas para Revisão
1.961.96
ρ
1.971.97
Corte lateral
 
Lago
6 m
 
Vista superior
 
5 m
Lago
 FIGURA P1.97FIGURA P1.97
1.981.98
 H H 
gg
FIGURA P1.98FIGURA P1.98
1.991.99
 
51Introdução e Comentários Preliminares
5 m
Alimentação
de água Bomba
150 m
Último piso
Solo
FIGURA P1.99FIGURA P1.99
1.1001.100
 A B
 B A
 B.
 
 A
 B
 D B = 25 mm
P
0
= 100 kPa
Bomba
 D A = 100 mm
g
 FIGURA P1.100FIGURA P1.100
1.1011.101
Linha
de ar
comprimido
gg
Ar
PP0
FIGURA P1.101FIGURA P1.101
PROBLEMAS ABERTOS, PROJETOS E APLICAÇÃO DE COMPUTADORES
1.1021.102
1.1031.103
1.1041.104
1.1051.105
1.1061.106
1.1071.107
 
52 Fundamentos da Termodinâmica
1.1081.108
1.1091.109
 R R α T T 
 R T 
 R Ω T 
α 
Ω
1.1101.110
1.1111.111
1.1121.112