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2019 1a Edição Fundamentos de Calorimetria e termodinâmiCa Prof. Thiago José Donegá Copyright © UNIASSELVI 2019 Elaboração: Prof. Thiago José Donegá Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: D681f Donegá, Thiago José Fundamentos de calorimetria e termodinâmica. / Thiago José Donegá. – Indaial: UNIASSELVI, 2019. 196 p.; il. ISBN 978-85-515-0289-1 1. Calorimetria – Fundamentos. 2. Termodinâmica – Fundamentos - Brasil. II. Centro Universitário Leonardo Da Vinci. CDD 536.50287 III apresentação Caro acadêmico! Bem-vindo ao Livro de Estudos da disciplina Fundamentos de Calorimetria e Termodinâmica. Ele é dividido em três unidades: Unidade 1 – Conceitos Fundamentais de Calorimetria e Termodinâmica; Unidade 2 – Estudando a Primeira Lei da Termodinâmica; Unidade 3 – A Segunda Lei da Termodinâmica. Na Unidade 1 são apresentadas algumas motivações iniciais sobre previsões relativas à área térmica. Também são abordados alguns conceitos e definições iniciais necessários para o desenvolvimento de toda a disciplina. São revistas as principais unidades de medida no Sistema Internacional de Unidades e no Sistema Inglês, suas conversões e dimensões fundamentais. Também se dá ênfase às dimensões mais importantes para a área térmica, como pressão, massa, volume e temperatura. O Tópico 2 aborda exclusivamente questões relacionadas à temperatura e faz uma introdução básica sobre energia. Ainda nesta unidade são estudadas as propriedades e fases de uma substância pura, por fim são apresentados os estados e o fator de compressibilidade. Na Unidade 2 são apresentadas a primeira lei da termodinâmica, bem como sua relação com a equação da energia. Também será abordada a definição de trabalho e sua relação com a termodinâmica, bem como a definição de calor. Ainda no tópico sobre calor, também serão apresentadas as formas de transferência de calor, que são condução, convecção e radiação. No terceiro tópico será aprofundado o tema de energia, em que discutiremos energia interna e entalpia. Também serão apresentados calores específicos a volume e à pressão constantes e a relação entre energia interna, entalpia e calor específico de gases ideais. No final do tópico são mostrados sistemas gerais que envolvem trabalho. Por fim é apresentado o assunto sobre conservação de massa e volume de controle. Na Unidade 3 faremos uma introdução sobre a segunda lei da termodinâmica, falando sobre motores térmicos e refrigeradores. Daremos destaque à eficiência térmica de máquinas térmicas. Ainda no primeiro tópico serão discutidos os enunciados da segunda lei da termodinâmica, em que será apresentado o COP (Coeficiente de Desempenho de um refrigerador – Coefficient of Performance, em inglês). Será explicado o que são processos reversíveis e processos irreversíveis, bem como os fatores que tornam um processo irreversível. Estudaremos o ciclo de Carnot e a escala termodinâmica de temperatura. E, por fim, serão apresentadas as diferenças entre máquinas reais e ideais e como funciona o ciclo de Rankine. Boa leitura e bons estudos! Prof. Thiago José Donegá IV Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! NOTA V VI VII UNIDADE 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA .................................................................................................... 1 TÓPICO 1 – INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES ........................................... 3 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3 2 CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS ......................................................................................... 3 3 O SISTEMA TERMODINÂMICO E O VOLUME DE CONTROLE .......................................... 7 3.1 SISTEMAS FECHADOS .................................................................................................................. 8 3.2 VOLUMES DE CONTROLE........................................................................................................... 9 3.3 SELECIONANDO A FRONTEIRA DO SISTEMA ...................................................................... 10 4 PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO DA TERMODINÂMICA ...... 11 5 PROPRIEDADES, ESTADO, PROCESSOS E CICLOS ............................................................... 12 5.1 PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS ....................................................................... 13 5.2 DISTINGUINDO PROPRIEDADES DE NÃO PROPRIEDADES ............................................. 14 5.3 EQUILÍBRIO ..................................................................................................................................... 14 6 UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................................................. 15 6.1 O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) ............................................................... 15 6.2 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA ............................................. 16 6.3 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA (OU DENSIDADE) ..................................... 18 7 PRESSÃO .............................................................................................................................................. 22 7.1 MEDIDAS DE PRESSÃO ................................................................................................................ 24 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 28 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 33 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 34 TÓPICO 2 – ENERGIA E TEMPERATURA ....................................................................................... 35 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 35 2 UMA INTRODUÇÃO SOBRE ENERGIA ...................................................................................... 35 3 DEFINIÇÃO DE TEMPERATURA ...................................................................................................36 4 A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA ............................................................................................ 37 4.1 TERMÔMETROS ............................................................................................................................. 37 5 ESCALAS DE TEMPERATURA ........................................................................................................ 39 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 42 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 43 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 44 TÓPICO 3 – PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA ................................................... 45 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 45 2 PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA ....................................................................... 45 3 FASE E SUBSTÂNCIA PURA ............................................................................................................ 47 4 EQUILÍBRIO ENTRE FASES VAPOR-LÍQUIDO-SÓLIDO PARA UMA SUBSTÂNCIA PURA (AS FRONTEIRAS DAS FASES) ........................................................................................... 48 5 A SUPERFÍCIE P-V-T ........................................................................................................................... 55 5.1 O DIAGRAMA DE FASES .............................................................................................................. 56 sumário VIII 5.2 DIAGRAMA P-V.............................................................................................................................. 57 5.3 DIAGRAMA T-V ............................................................................................................................. 57 6 OBTENDO PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS .................................................................. 58 6.1 TABELAS DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS............................................................. 59 7 OS ESTADOS BIFÁSICOS (MISTURA BIFÁSICA LÍQUIDO-VAPOR) .................................. 60 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 62 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 64 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 65 TÓPICO 4 – ESTADOS ........................................................................................................................... 67 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 67 2 OS ESTADOS LÍQUIDO E SÓLIDO ................................................................................................ 67 3 OS ESTADOS DE VAPOR SUPERAQUECIDO ............................................................................. 68 4 O FATOR DE COMPRESSIBILIDADE ............................................................................................ 68 5 A EQUAÇÃO DE ESTADO DE GÁS IDEAL .................................................................................. 70 6 EQUAÇÕES DE ESTADO ................................................................................................................... 71 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 73 RESUMO DO TÓPICO 4........................................................................................................................ 75 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 76 UNIDADE 2 – ESTUDANDO A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA................................ 77 TÓPICO 1 – A PRIMEIRA LEI .............................................................................................................. 79 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 79 2 A EQUAÇÃO DA ENERGIA .............................................................................................................. 79 3 A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA .................................................................................... 83 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 85 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 86 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 87 TÓPICO 2 – TRABALHO E CALOR .................................................................................................... 89 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 89 2 A DEFINIÇÃO DE TRABALHO ........................................................................................................ 89 2.1 TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA POR MEIO DE TRABALHO ............................................. 91 2.2 UNIDADES DE TRABALHO ......................................................................................................... 91 2.3 POTÊNCIA ....................................................................................................................................... 91 3 TRABALHO DEVIDO À PRESSÃO ................................................................................................. 94 4 DEFINIÇÃO DE CALOR ................................................................................................................... 96 5 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ................................................................................. 97 5.1 CONDUÇÃO .................................................................................................................................... 97 5.2 CONVECÇÃO .................................................................................................................................. 98 5.3 RADIAÇÃO ...................................................................................................................................... 99 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 100 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 104 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 105 TÓPICO 3 – ENERGIA ........................................................................................................................... 107 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 107 2 ENERGIA INTERNA – UMA PROPRIEDADE TERMODINÂMICA ....................................... 107 3 A PROPRIEDADE TERMODINÂMICA ENTALPIA.................................................................... 109 4 CALORES ESPECÍFICOS A VOLUME E À PRESSÃO CONSTANTES ................................... 110 4.1 CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS ..............................................................111 IX 5 A ENERGIA INTERNA, ENTALPIA E CALOR ESPECÍFICO DE GASES IDEAIS ............... 112 6 SISTEMAS GERAIS QUE ENVOLVEM TRABALHO .................................................................. 117 6.1 MOLA LINEAR ................................................................................................................................ 118 6.2 TRABALHO DE EIXO ..................................................................................................................... 119 6.3 HÉLICE .............................................................................................................................................. 121 6.4 AQUECEDOR COM RESISTÊNCIA ELÉTRICA ........................................................................ 122 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 123 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 126 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 127 TÓPICO 4 – CONSERVAÇÃO DE MASSA ....................................................................................... 129 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 129 2 CONSERVAÇÃO DE MASSA PARA UM VOLUME DE CONTROLE ..................................... 129 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 133 RESUMO DO TÓPICO 4........................................................................................................................ 137 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 138 UNIDADE 3 – A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ........................................................... 139 TÓPICO 1 – INTRODUÇÃO À SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ................................. 141 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 141 2 MOTORES TÉRMICOS E REFRIGERADORES (BOMBAS DE CALOR) ................................ 141 2.1 MOTOR TÉRMICO .......................................................................................................................... 143 2.2 EFICIÊNCIA TÉRMICA.................................................................................................................. 147 2.3 REFRIGERADORES OU BOMBA DE CALOR ........................................................................... 147 3 ENUNCIADOS DA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA .................................................. 150 3.1 ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK .......................................................................................... 150 3.2 ENUNCIADO DE CLAUSIUS ....................................................................................................... 151 4 PROCESSOS REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS .......................................................................... 154 5 FATORES QUE TORNAM UM PROCESSO IRREVERSÍVEL.................................................... 157 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 161 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 167 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 168 TÓPICO 2 – O CICLO DE CARNOT ................................................................................................... 169 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 169 2 O CICLO TÉRMICO DE CARNOT .................................................................................................. 169 3 DOIS TEOREMAS RELATIVOS AO RENDIMENTO TÉRMICO DO CICLO DE CARNOT ..... 172 4 A ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA ................................................................ 174 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 175 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 176 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 177 TÓPICO 3 – MÁQUINAS TÉRMICAS ............................................................................................... 179 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 179 2 MÁQUINAS REAIS E IDEAIS .......................................................................................................... 179 3 O CICLO DE RANKINE ...................................................................................................................... 183 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 185 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 189 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 190 REFERÊNCIAS ......................................................................................................................................... 191 X 1 UNIDADE 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de: • realizar conversões de unidades; • conhecer e determinar parâmetros básicos, como volume específico, massa específica, densidade e pressão; • relacionar energia e temperatura; • utilizar as diversas escalas de temperatura e realizar conversões necessárias; • identificar as propriedades e fases de uma substância pura; • identificar estados sólidos e líquidos e de vapor superaquecido; • designar o fator de compressibilidade de um gás. Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado. TÓPICO 1 – INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES TÓPICO 2 – ENERGIA E TEMPERATURA TÓPICO 3 – PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA TÓPICO 4 – ESTADOS 2 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 1 INTRODUÇÃO Neste tópico serão apresentados alguns conceitos básicos e algumas motivações sobre o estudo da calorimetria e termodinâmica. Mostraremos algumas áreas de aplicação na termodinâmica na engenharia. Ainda na parte introdutória apresentaremos os conceitos de sistema termodinâmico e volume de controle, definindo sistemas fechados, e como selecionar a fronteira do sistema. Investigaremos pontos de vista macroscópico e microscópico da termodinâmica. Entenderemos o que são propriedades, estado, processos e ciclos. Além disso, serão recordadas as unidades de medidas fundamentais e derivadas, bem como prefixos. Onde apresentaremos as unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI) e do Sistema Inglês. 2 CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS Os engenheiros fazem uso dos princípios básicos da termodinâmica e de outras ciências da engenharia, tal qual a mecânica dos fluidos e a transferência de calor e massa, para analisar e projetar sistemas visando atender aos anseios da humanidade.Durante todo o século XX, foram aplicadas soluções de engenharia utilizando-se da termodinâmica, as quais ajudaram a abrir caminho para melhorias consideráveis na qualidade de vida do ser humano, com importantes avanços em áreas significativas, como a aeronáutica, viagens espaciais, transporte em superfície, geração e transmissão de eletricidade, construções com sistemas de refrigeração e aquecimento, e melhorias nas práticas médicas (MORAN et al., 2013). A seguir são apresentados alguns desses aperfeiçoamentos realizados ao longo do século. Algumas áreas de aplicação da termodinâmica na engenharia, segundo Moran et al. (2013): • Sistemas de propulsão de aeronaves e foguetes. • Sistemas alternativos de energia. ᵒ Células combustíveis. ᵒ Sistemas geotérmicos. ᵒ Conversores magneto-hidrodinâmicos (MHD). UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 4 ᵒ Geração de potência por energia térmica dos oceanos, energia das ondas e marés. ᵒ Geração de potência, aquecimento e resfriamento ativados por energia solar (Figura 4). ᵒ Dispositivos termoelétricos e termoiônicos. ᵒ Turbinas eólicas. • Motores de automóveis (Figura 1). • Aplicações na bioengenharia. • Aplicações biomédicas. • Sistemas de combustão. • Compressores, bombas. • Resfriamento de equipamentos eletrônicos. • Sistemas criogênicos, separação e liquefação de gases. • Usinas de força movidas a combustível fóssil e nuclear (Figura 2). • Sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado. ᵒ Refrigeração por absorção e bombas de calor. ᵒ Refrigeração por compressão de vapor e bombas de calor. • Turbinas a gás e a vapor (Figura 3). ᵒ Produção de potência. ᵒ Propulsão. FIGURA 1 – MOTOR DE AUTOMÓVEL FONTE: Moran et al. (2013, p. 3) TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 5 FIGURA 2 – TERMOELÉTRICA FIGURA 3 – MOTOR TURBOJATO FIGURA 4 – ESTAÇÃO ESPACIAL INTERNACIONAL FONTE: Moran et al. (2013, p. 3) FONTE: Moran et al. (2013, p. 3) FONTE: Moran et al. (2013, p. 3) FIGURA 4 – ESTAÇÃO ESPACIAL INTERNACIONAL UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 6 De acordo com Moran et al. (2013), no século XXI os engenheiros serão responsáveis por gerar tecnologias que tornarão o planeta sustentável. Ainda, segundo os autores, o avanço da termodinâmica tem um futuro promissor em relação ao bem-estar humano, visto que haverá iminentes desafios sociais causados pela diminuição de fontes de recursos energéticos, como gás natural, petróleo, material fóssil e carvão; devido aos efeitos das mudanças no clima do planeta e ao aumento da população mundial. Para Moran et al. (2013), é possível que a vida nos Estados Unidos mude em diversos aspectos importantes até meados do século XXI. Por exemplo, no âmbito da utilização de energia, a eletricidade será mais importante do que atualmente é. Para se ter uma ideia, é apresentada a seguir uma previsão de alterações que serão observadas, segundo especialistas. Previsões para a vida nos Estados Unidos em 2050, segundo Moran et al. (2013): a) Com relação à casa • As casas serão construídas de modo a reduzir as necessidades de aquecimento e refrigeração. • As casas possuirão sistemas de monitoramento eletrônico e regulagem do uso de energia. • Os eletrodomésticos e sistemas com aquecimento e ar-condicionado serão mais eficientes em termos energéticos. • O uso da energia solar para o aquecimento do espaço e da água será comum. • Mais alimentos serão produzidos localmente. b) Com relação ao transporte • A versão plug-in de veículos híbridos e veículos totalmente elétricos dominarão. • Os veículos híbridos utilizarão principalmente os biocombustíveis. • O uso de transportes públicos dentro e entre as cidades será comum. • Um sistema ferroviário de passageiros ampliado será amplamente utilizado. c) Com relação ao estilo de vida • As práticas de utilização da energia de forma eficiente serão utilizadas em toda a sociedade. • A reciclagem será amplamente praticada, incluindo a reciclagem da água. • O ensino a distância será comum na maioria dos níveis de ensino. • A telecomutação e as teleconferências constituirão a norma. • A internet será predominantemente usada para consumo e comércio de negócios. d) Com relação à geração de energia • A eletricidade desempenhará um papel maior na sociedade. • A energia eólica, solar e outras tecnologias renováveis contribuirão com uma parcela significativa das necessidades de eletricidade da nação. TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 7 • Uma mistura de usinas convencionais de energia movidas a combustíveis fósseis e usinas de energia nuclear representarão uma menor, mas ainda significativa, parcela das necessidades de eletricidade da nação. • Uma rede nacional inteligente e segura de transmissão de energia será estabelecida. Caso essas previsões para o estilo de vida de meados do século XXI estiver correta, será necessário um rápido avanço no que tange à energia. Da mesma forma como foi no século XX, a termodinâmica será essencial para contribuir na busca de soluções aos desafios esperados para o século XXI, tais como a utilização de forma mais eficaz de combustíveis fósseis, a evolução de tecnologias compreendidas por energia renovável e o aperfeiçoamento de sistemas de transporte, de construção e de práticas industriais mais eficientes em termos energéticos. Outra área em que a termodinâmica terá um papel essencial será na atenuação do aquecimento global, bem como da poluição atmosférica e poluição da água. Além disso, serão observadas a implantação da nanotecnologia e aplicações nos sistemas biomédicos e de bioengenharia (MORAN et al., 2013). 3 O SISTEMA TERMODINÂMICO E O VOLUME DE CONTROLE Um passo-chave inicial em qualquer análise em engenharia consiste em descrever de forma precisa o que está sendo estudado. Em mecânica, se a trajetória de um corpo deve ser determinada, normalmente o primeiro passo é definir um corpo livre e identificar todas as forças exercidas por outros corpos sobre ele. A segunda lei do movimento de Newton é então aplicada (MORAN et al., 2013, p. 2, grifo do original). Segundo Moran et al. (2013), analogamente às analises em mecânica, na termodinâmica utiliza-se o termo sistema para indicar o objeto de análise. Desta forma, quando o sistema é determinado e são identificadas as interações importantes com os outros sistemas, uma ou mais leis ou relações físicas são aplicadas. Um sistema termodinâmico é todo aquele objeto de análise que se deseja estudar. Sua complexidade pode variar desde um simples corpo livre até uma complexa refinaria química completa. Podemos querer estudar determinada quantidade de matéria, em um recipiente fechado com paredes rígidas, ou analisar alguma coisa, como o escoamento de gás natural em um gasoduto. No sistema, a composição da matéria pode ser fixa ou variar em função de reações químicas ou nucleares. O volume e a forma do sistema que está sendo analisado não precisam ser, necessariamente, constantes, como no caso em que consideramos um gás comprimido por um pistão no interior de um cilindro ou quando um balão é inflado (MORAN et al., 2013). Para melhor compreender as fronteiras de um sistema, pode-se considerar que o volume de controle contém a matéria e os dispositivos dentro de uma superfície de controle. Tudo o que é externo ao volume de controle (ou ao UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 8 sistema) é a vizinhança do sistema, que é separada pela superfície de controle. Ou seja, o sistema é claramente distinguido de suas vizinhanças por uma fronteira específica, que pode estar em movimento ou em repouso. Além disso, a superfície de controle para escoamento de massa pode ter fluxos de energia em condições de transferência de calor e trabalho. Suas fronteiras podem ser fixas ou móveis e, no caso de uma superfície de controle fechada para escoamento de massa, onde não pode haver entrada ou saída de massa, o sistemairá conter a mesma quantidade de matéria em todos os momentos (MORAN et al., 2013; BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Segundo Moran et al. (2013), podem ser considerados dois tipos básicos de sistemas. Um deles é o sistema fechado e o outro o volume de controle. Um sistema fechado é referente a uma quantidade fixa de matéria, e um volume de controle é referente a uma região do espaço por onde é possível ocorrer fluxo de massa. O termo sistema fechado também pode ser chamado de massa de controle, bem como volume de controle pode ser chamado de sistema aberto. Assim, quando são utilizados os termos massa de controle e volume de controle, a fronteira do sistema é chamada de superfície de controle. 3.1 SISTEMAS FECHADOS De acordo com Moran et al. (2013, p. 2), “um sistema fechado é definido quando uma determinada quantidade de matéria encontra-se em estudo. Um sistema fechado sempre contém a mesma quantidade de matéria”. Assim, não pode haver fluxo de massa através das fronteiras de um sistema fechado. Existe um tipo especial de sistema fechado, conhecido como sistema isolado, que não interage de forma alguma com suas vizinhanças. Segundo Borgnakke e Sonntag (2013), em um sistema isolado, calor e trabalho não cruzam a fronteira do sistema. A Figura 5 apresenta um gás em um conjunto cilindro-pistão. Pode-se considerar o gás como um sistema fechado quando as válvulas estão fechadas. As linhas tracejadas na figura representam a fronteira do sistema (somente no interior das paredes do cilindro e do pistão). O volume do sistema varia, visto que a fronteira entre o gás e o pistão se move com o pistão. Nenhuma massa passa essa fronteira ou qualquer outra parte do contorno. Caso ocorra a combustão, a composição do sistema muda à medida que a mistura inicial de combustível se converte nos produtos da combustão (MORAN et al., 2013). TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 9 FIGURA 5 – SISTEMA FECHADO: UM GÁS EM UM CONJUNTO CILINDRO-PISTÃO FONTE: Moran et al. (2013, p. 2) 3.2 VOLUMES DE CONTROLE Em geral, um volume de controle pode ser defi nido por uma superfície de controle delimitada por uma fronteira preestabelecida. Em um volume de controle podem ocorrer escoamentos de entrada e saída de massa (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Podemos observar o esquema de um motor de automóvel na Figura 6. Conforme pode ser visto, o volume de controle é defi nido pelas linhas tracejadas que envolvem o equipamento. Nota-se que o combustível, o ar e os gases de exaustão atravessam a fronteira. Em geral, o esquema apresentado na Figura 6b é sufi ciente para realizar uma análise de engenharia (MORAN et al., 2013). FIGURA 6 – EXEMPLO DE UM VOLUME DE CONTROLE (SISTEMA ABERTO) UM MOTOR DE AUTOMÓVEL FONTE: Moran et al. (2013, p. 4) UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 10 3.3 SELECIONANDO A FRONTEIRA DO SISTEMA Antes de uma análise termodinâmica é fundamental delinear, cuidadosamente, a fronteira do sistema. No entanto, um mesmo fenômeno físico pode ser analisado com diversas possibilidades de sistema, fronteira e vizinhanças. A defi nição de certa fronteira, que defi ne determinado sistema, é intimamente dependente da conveniência que essa defi nição proporciona à análise seguinte (MORAN et al., 2013). Geralmente, a defi nição da fronteira de um sistema é baseada por duas condições: (1) o que é conhecido sobre o possível sistema, principalmente nas suas fronteiras e, (2) o objetivo da análise (MORAN et al., 2013). Por exemplo, a Figura 7 apresenta o desenho esquemático de um tanque de armazenamento conectado a um compressor de ar. Nota-se na fi gura que a fronteira do sistema compreende o compressor, o tanque e toda a tubulação. A seleção dessa fronteira poderia ser feita se for conhecida a corrente elétrica de alimentação e se o objetivo da análise envolver estipular o tempo de operação do compressor até que a pressão do tanque alcance um valor predeterminado. Como pode ser visto na fi gura, a massa (ar) atravessa a fronteira, assim o sistema pode ser um volume de controle. Também podemos defi nir um volume de controle abrangendo apenas o compressor, caso a condição de entrada e saída de ar for conhecida e o propósito for determinar a potência elétrica de acionamento (MORAN et al., 2013). FIGURA 7 – COMPRESSOR DE AR E TANQUE DE ARMAZENAMENTO FONTE: Moran et al. (2013, p. 5) TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 11 4 PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO DA TERMODINÂMICA Um sistema pode ter seu comportamento investigado sob um ponto macroscópico ou microscópico (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Segundo os autores, a abordagem macroscópica da termodinâmica, também conhecida como termodinâmica clássica macroscópica, estuda os efeitos médios ou globais de várias moléculas. Assim, os efeitos da abordagem macroscópica podem ser percebidos pelos nossos sentidos e medidos com instrumentos. A abordagem microscópica da termodinâmica, também chamada de termodinâmica estatística, tem um foco direto na estrutura da matéria. Na abordagem estatística da termodinâmica objetiva-se caracterizar, de forma estatística, o comportamento médio das partículas que constituem o sistema a ser analisado e a partir disso comparar essas informações com os resultados obtidos do comportamento macroscópico do sistema (MORAN et al., 2013). Para você ter uma ideia do transtorno que teríamos se analisássemos um problema do ponto de vista microscópico, será apresentado um exemplo a seguir: Supondo que o sistema seja constituído por um gás monoatômico, a pressão e temperatura atmosféricas, contido em um cubo de 25 mm de lado. Esse sistema contém cerca de 1020 átomos. Para descrever a posição de cada átomo devem ser especificadas três coordenadas e, para descrever a velocidade de cada átomo, são necessárias as três componentes do vetor velocidade. Assim, para descrever completamente o comportamento desse sistema, sob o ponto de vista microscópico, é necessário lidar com, pelo menos, 6 x 1020 equações. Essa tarefa seria árdua, mesmo se tivéssemos um computador moderno de grande capacidade (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013, p. 24). Entretanto, se essa abordagem for realizada do ponto de vista da termodinâmica clássica macroscópica, o número de variáveis do problema será reduzido. Assim, por exemplo, considerando um gás exercendo determinada pressão sobre as paredes de um recipiente, essa pressão é resultado da alteração na quantidade de movimento das moléculas quando colidem com as paredes. No entanto, sob o ponto de vista da termodinâmica clássica, não é interessante analisar a ação isolada de uma molécula, mas a força média relacionada ao tempo que atua em determinada área e que pode ser medida utilizando um manômetro (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Para uma ampla gama de situações na engenharia, a termodinâmica clássica (abordagem macroscópica) proporciona uma abordagem mais objetiva para a análise e o projeto, além de exigir menor complexidade matemática (MORAN et al., 2013). UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 12 5 PROPRIEDADES, ESTADO, PROCESSOS E CICLOS Só podemos descrever e prever o comportamento de um sistema se conhecermos suas propriedades e como elas estão relacionadas. Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema, e algumas que podemos citar são a massa, o volume, a energia, a pressão e a temperatura. Essas propriedades apresentam um valor numérico que pode ser referido em um dado momento sem o conhecimento prévio (histórico) do comportamento do sistema. A termodinâmica também aborda grandezas que não são propriedades, como por exemplo, taxas de vazão mássicas e transferência de energia por calor e trabalho (MORAN et al., 2013). Segundo Moran et al. (2013), o termo estado é referente à condição de um sistema conforme especifi cado por suas propriedades. Devido às relações existentes entre as propriedades de um sistema, geralmente o estado é especificado informando-se os valores de um subconjunto dessas propriedades. De acordo com Borgnakke e Sonntag (2013), o estado pode ser caracterizado e referido a partir de determinadas propriedades macroscópicas observáveis, tais como pressão, temperatura e massa específi ca. Independentemente da forma pela qual a substância chegou a determinado estado, cada uma das propriedades de determinada substância em certo estado apresenta apenas um valor, sendo que essas propriedades possuem sempre o mesmo valor para determinado estado. Podemos dizer que ocorre uma mudança de estado quando o valor de ao menos uma propriedade do sistema sofre alteração. Podemos ver uma situação no exemplo apresentado na Figura 8. Neste caso, ao se remover um dos pesos posicionados sobre o pistão, este sobe e ocorre uma mudança de estado. Isso ocorre devido ao aumento do volume específi co e diminuição da pressão. FIGURA 8 – EXEMPLO DE UM PROCESSO EM UM SISTEMA FONTE: Borgnakke e Sonntag (2013, p. 26) TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 13 Quando ocorre uma mudança de estado é dito que o sistema percorreu um processo. A transformação de um estado para outro é um processo. No entanto, quando um sistema apresenta o mesmo valor de suas propriedades, em dois tempos diferentes, ele está no mesmo estado nesses tempos. Se nenhuma das propriedades variarem com o tempo, o sistema é denominado permanente (MORAN et al., 2013). Um ciclo termodinâmico é realizado quando um dado sistema, em um determinado estado inicial, passa por determinado número de mudanças de processos ou estado e, ao final, retorna ao estado inicial. Assim, ao final de um ciclo, todas as propriedades demonstram os mesmos valores iniciais (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Segundo Borgnakke e Sonntag (2013), é necessário que seja feita uma distinção entre um ciclo termodinâmico e um ciclo mecânico. Assim, por exemplo, um motor à combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. No entanto, o fluido de trabalho (combustível) não percorre um ciclo termodinâmico no motor, visto que ar e combustível reagem e se transformam em produtos de combustão, sendo descartados na atmosfera. Outro exemplo de ciclo termodinâmico é o vapor (água) que circula em um equipamento termoelétrico a vapor. Dessa forma, neste material, o termo ciclo será referido a um ciclo termodinâmico, a não ser que seja especificado o contrário. 5.1 PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS Podemos classificar as propriedades termodinâmicas em duas classes gerais: as extensivas e as intensivas. Uma propriedade extensiva varia de modo direto com a massa, enquanto o valor de uma propriedade intensiva não depende da massa. Dessa forma, uma quantidade de matéria em um determinado estado, se for dividida em duas partes iguais, cada parte apresentará o mesmo valor relativo às propriedades extensivas da massa original. Por exemplo, a massa e o volume total são propriedades extensivas, enquanto que a temperatura, a pressão e a massa específica são propriedades intensivas. Assim, se tomarmos uma propriedade extensiva por unidade de massa, tal qual o volume específico, teremos uma propriedade intensiva (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). A diferença entre propriedades extensivas e intensivas pode ser ilustrada no exemplo a seguir, utilizando a imagem da Figura 9. Imagine uma porção de matéria composta de várias partes e considere que a temperatura dessa matéria é uniforme. A soma da massa das partes constitui a massa do conjunto, e a soma do volume das partes é o volume total. Entretanto, se somarmos a temperatura das partes, não teremos a temperatura do conjunto, pois a temperatura do conjunto vai ser a mesma temperatura de cada parte. A partir dessa análise, podemos dizer que a massa e o volume são propriedades extensivas e a temperatura é uma propriedade intensiva (MORAN et al., 2013). UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 14 FIGURA 9 – IMAGEM UTILIZADA PARA DISCUTIR OS CONCEITOS DE PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS FONTE: Moran et al. (2013, p. 6) 5.2 DISTINGUINDO PROPRIEDADES DE NÃO PROPRIEDADES De acordo com Moran et al. (2013), em um determinado estado, cada propriedade apresenta um valor predeterminado que pode ser defi nido sem a compreensão de como o sistema atingiu aquele estado. Portanto, quando o sistema muda de um estado para outro, a alteração no valor de uma propriedade é defi nida apenas pelos dois estados extremos, e não depende do caminho em particular pelo qual a variação de estado aconteceu. Ou seja, a mudança não depende dos detalhes do processo. De forma recíproca, se o valor de uma grandeza é independente do processo entre dois estados, nesse caso a grandeza condiz com a variação de uma propriedade. “Isso fornece um teste para determinar se uma grandeza é uma propriedade: uma grandeza é uma propriedade se, e somente se, sua mudança de valor entre dois estados é independente do processo” (MORAN et al., 2013, p. 7, grifo do autor). Assim, se o valor de certa grandeza é dependente de particularidades do processo, e não somente dos estados extremos, essa grandeza não pode ser uma propriedade. 5.3 EQUILÍBRIO O conceito de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro são fundamentais na termodinâmica clássica. Em mecânica, o conceito de equilíbrio remete a uma condição de estabilidade mantida por forças de mesmo módulo e direção, mas sentidos opostos. Já em termodinâmica, o conceito de equilíbrio é mais amplo, pois inclui o equilíbrio de outras infl uências além do equilíbrio de forças. Assim, em termodinâmica é necessário que existam vários tipos de equilíbrios individuais para que haja uma condição total de equilíbrio. Dentre esses equilíbrios individuais, podemos citar o mecânico, o térmico, de fase TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 15 e químico (MORAN et al., 2013). “Quando um sistema está em equilíbrio, em relação a todas as possíveis mudanças de estado, dizemos que o sistema está em equilíbrio termodinâmico” (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013, p. 25). Ao se isolar um sistema, ele não pode interagir com suas vizinhanças; no entanto, podem ocorrer, internamente, eventos espontâneos, fazendo com que seu estado mude enquanto suas propriedades intensivas (temperatura e pressão, por exemplo) tendem a valores uniformes. Ao cessar todas essas mudanças, o sistema entra em equilíbrio. No equilíbrio, a temperatura é uniforme no decurso do sistema. A pressão também pode ser considerada uniforme, contanto que não sofra o efeito da gravidade de forma significativa, pois a pressão varia com a altura, mas em geral essa variação é tão pequena que pode ser desprezada (MORAN et al., 2013). Segundo Moran et al. (2013), não é necessário que um sistema que passa por um processo esteja em equilíbrio durante o processo. Os estados intermediários podem ser estados de não equilíbrio, pois para a maioria desses processos é possível conhecer somente o estado antes da ocorrência do processo e depois que o processo está completo. 6 UNIDADES DE MEDIDA Visto que estamos tratando sobre as propriedades termodinâmicas do ponto de vista macroscópico, utilizaremos somente quantidades possíveis de serem medidas e contadas direta ou indiretamente (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). 6.1 O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Segundo Çengel e Boles (2015), em 1875 foi preparado e assinado, por 17 países, incluindo os Estados Unidos, o Tratado da Convenção Métrica. Nesse tratado foi estabelecido que metro e grama seriam as unidades métricas de comprimento e massa, respectivamente. Além disso, nesse ano ficou definido que a cada seis anos ocorreria a Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM). Dessa forma, em 1960, a CGPM produziu o SI. Baseados na notação apresentada em 1967, todos os nomes de unidades passaram a ser escritos sem letras maiúsculas, inclusive se forem derivados de nomes próprios (Quadro 1). No entanto, se a unidadederivar de um nome próprio, a abreviação deve ser escrita com a primeira letra em maiúsculo. Um exemplo disso é a unidade SI de força, cujo nome é uma homenagem a Sir Isaac Newton (1647-1723), na qual a unidade é o newton (não Newton), e sua abreviação é N. Outra regra importante é que o nome completo da unidade pode ser colocado no plural, mas sua abreviação não. Por exemplo, o comprimento de um objeto pode UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 16 ser 5 m ou 5 metros, não 5 ms ou 5 metro. Além disso, não pode ser utilizado nenhum ponto nas abreviações de unidades, a não ser que esteja no final da frase. A abreviação correta de metro é m (não m.) (ÇENGEL; BOLES, 2015). Segundo Çengel e Boles (2015), nos Estados Unidos houve um movimento no sentido da adoção do SI, principalmente por parte das indústrias envolvidas no comércio internacional (indústrias automotivas, de bebidas alcoólicas e refrigerantes). No entanto, a maioria das indústrias desse país resistiu à mudança, retardando o processo de conversão. Devido a isso, os Estados Unidos, atualmente, são uma sociedade de sistema duplo, por isso os engenheiros precisam compreender o sistema inglês enquanto aprendem, pensam e trabalham no Sistema Internacional de Unidades. Em razão de as grandezas físicas estarem relacionadas mediante leis e definições, basta algumas poucas grandezas físicas para se obter e mensurar todas as outras. Essas grandezas são conhecidas por dimensões primárias. As dimensões derivadas das primárias são denominadas secundárias. Por exemplo, a velocidade deriva do comprimento e do tempo, da mesma forma como a área deriva do comprimento. Assim, nesses exemplos o comprimento e o tempo são primários, e a velocidade e área, secundários (MORAN et al., 2013). O quadro a seguir apresenta as sete dimensões primárias e suas unidades no Sistema Internacional de Medidas (SI): Dimensões Unidades Comprimento metro (m) Massa quilograma (kg) Tempo segundo (s) Temperatura kelvin (K) Corrente elétrica ampère (A) Quantidade de luz candela (cd) Quantidade de massa mole (mol) QUADRO 1 – AS SETE DIMENSÕES FUNDAMENTAIS (PRIMÁRIAS) E SUAS UNIDADES NO SI FONTE: Çengel e Boles (2015, p. 5) 6.2 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA No SI, as unidades de massa, comprimento e tempo são, respectivamente, quilograma (kg), metro (m) e segundo (s), e no sistema Inglês são a libra-massa (lbm), o pé (ft) e o segundo (s) (ÇENGEL; BOLES, 2015). Segundo os autores, as unidades de massa e comprimento dos dois sistemas se relacionam da seguinte forma: 1 lbm = 0,45359 kg (1) 1 pé = 0,3048 m 2) TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 17 No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de força é definida de acordo com a segunda lei de Newton, e é derivada das unidades de massa, comprimento e tempo. Assim, essa lei define que a força (F) atuante sobre um corpo é proporcional ao produto da massa (m) desse corpo pela aceleração (a) na direção da força (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013): F = m∙a (3) Assim, a unidade de força é o newton (N), que pode ser definido como sendo a força necessária para acelerar uma massa de 1 quilograma à razão de 1 metro por segundo ao quadrado (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013): 1 N = 1 kg ∙ 1 m/s2 (4) Vale ressaltar que as unidades no SI, que derivam de nomes próprios, são representadas por letras maiúsculas, enquanto as outras são representadas por letras minúsculas, com exceção do litro (L) (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Além disso, se for necessário apresentar as medidas em ordem de grandeza diferente da unidade, podem ser utilizados os prefixos, conforme apresentados no Quadro 2. Assim, por exemplo, um valor de 1000 N (103 N) pode ser escrito como 1 kN (1 quilo Newton). Ou, ainda, o valor de 0,001 m pode ser escrito como 1 mm (1 milímetro). Segundo Borgnakke e Sonntag (2013), no caso de intervalos de tempo, além das unidades frequentemente utilizadas, que são o minuto (min), a hora (h) e o dia (dia), também podem ser utilizados os prefixos mili, micro, nano e pico, por exemplo. No Sistema Inglês de Unidades, a força é uma unidade primária e seu conceito remete a uma quantidade independente, em que a libra-massa padrão é atraída pela Terra numa localização onde a aceleração da gravidade é padrão. Nesse caso, a aceleração da gravidade é medida em um local ao nível do mar e 45o de latitude, assumindo o valor de 9,80665 m/s2 ou 32,1740 ft/s2. Assim, a unidade de força é denominada libra-força. Dessa forma, como já temos as definições para força, massa, comprimento e tempo, pela segunda lei de Newton podemos escrever, então, da seguinte maneira (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013): 1 lbf = 32,174 lbm∙ft/s2 (5) De forma popular, o termo peso é associado a um corpo e, por vezes, é confundido com massa. No entanto, a palavra peso só pode ser usada corretamente quando associada à força. Assim, quando se diz que um corpo pesa determinado valor, isso quer dizer que essa é a força que o corpo está sendo atraído pela Terra (ou por algum outro corpo), de forma geral, o peso é igual ao produto da massa do corpo pela aceleração local da gravidade. A partir dessa análise, é possível afirmar que, se variarmos a altitude de um corpo, a sua massa permanecerá constante e o seu peso vai variar com a altitude (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). É importante ressaltar que não se usa o termo libra isolado, de forma que sejam distinguidos lbm e lbf. UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 18 Múltiplo Prefixo 1024 yotta, Y 1021 zetta, Z 1018 exa, E 1015 peta, P 1012 tera, T 109 giga, G 106 mega, M 103 quilo, k 102 hecto, h 101 deca, da 10-1 deci, d 10-2 centi, c 10-3 mili, m 10-6 micro, μ 10-9 nano, n 10-12 pico, p 10-15 femto, f 10-18 atto, a 10-21 zepto, z 10-24 yocto, y QUADRO 2 – PREFIXOS PADRÃO EM UNIDADES SI FONTE: Çengel e Boles (2015, p. 5) 6.3 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA (OU DENSIDADE) Segundo Çengel e Boles (2015), podemos definir densidade (massa específica) como sendo massa por unidade de volume (Figura 10): (6)ρ = m V Ainda, de acordo com estes os autores, o volume específico (V) é o inverso da densidade, definido como volume por unidade de massa: = = ρ 1VV m (7) Devemos observar que as duas propriedades (volume específico e massa específica) são intensivas (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 19 FIGURA 10 – DENSIDADE É MASSA POR UNIDADE DE VOLUME; O VOLUME ESPECÍFICO É VOLUME POR UNIDADE DE MASSA FONTE: Çengel e Boles (2015, p. 13) “Para um volume diferencial elementar de massa δm e volume δV, a densidade pode ser expressa como ρ = δm/δV” (ÇENGEL; BOLES, 2015, p. 13). Geralmente, a massa específica de uma substância depende da pressão e da temperatura. A massa específica da maior parte dos gases é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura. Por outro lado, a variação da densidade com a pressão dos líquidos e sólidos é geralmente desprezível, assim os líquidos e sólidos são substâncias essencialmente incompressíveis. Por exemplo, a 20 oC, a densidade da água varia de 998 kg/m3 a 1 atm para 1003 kg/ m3 a 100 atm, uma variação de apenas 0,5%. As densidades de líquidos e sólidos dependem muito mais da temperatura do que da pressão. Por exemplo, a 1 atm, a densidade da água varia de 998 kg/m3 a 20 oC para 975 kg/m3 a 75 oC, o que dá uma variação de 2,3%, e ainda assim pode ser considerada desprezível em diversas análises de engenharia (ÇENGEL; BOLES, 2015). A Figura 11 mostra um comparativo entre valores das densidades (massas específicas) dos sólidos, líquidos e gases (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013): UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 20 FIGURA11 – DENSIDADE DE SUBSTÂNCIAS COMUNS FONTE: Borgnakke e Sonntag (2013, p. 30) Em determinadas situações, é mais adequado expressar propriedades como o volume específi co em uma base molar, ao invés da base mássica. O mol equivale a uma quantidade de uma determinada substância numericamente igual ao seu peso molecular. A quantidade de uma substância na base molar pode ser expressa em termos de quilomol (kmol) ou de libra-mol (lbmol) (MORAN et al., 2013). Podemos obter o número de quilomols (n) de uma substância dividindo a massa (m) em quilogramas pelo peso molecular (M) em kg/mol. Da mesma forma, o número de libra-mols (n) pode ser calculado dividindo a massa (m) em libra-massa pelo peso molecular (M) em lb/lbmol. Caso m seja dada em gramas, a Equação 8 fornece n em grama-mol, ou simplesmente mol, para abreviar. Para recordar a química, sabemos que o número de moléculas em um grama-mol é de 6,022 x 1023, também conhecido como número de Avogrado (MORAN et al., 2013): = mn M (8) Para indicar que a propriedade está representando a base molar, será utilizado um traço sobre o símbolo (letra minúscula). Dessa forma, o volume específi co molar e a massa específi ca molar serão designados pelas letras v e ρ, respectivamente. No SI, a unidade de volume específi co é m3/kg e na base molar é m3/mol ou m3/kmol, e a unidade de massa específi ca é kg/m3, ou na base molar é mol/m3 ou kmol/m3 (B ORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Embora no Sistema Internacional de Unidades a unidade de volume seja o metro cúbico, é comum utilizar o litro (L) como unidade de volume, que é uma denominação especial dada a um volume que corresponde a 0,001 m3, ou seja, 1 L = 10-3 m3, ou ainda, 1 L = 1 dm3 (1 litro é igual a 1 decímetro cúbico) (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 21 A densidade de determinada substância pode ser dada de forma relativa à densidade de certa substância bem conhecida. Quando a densidade é dada dessa forma, ela é chamada de gravidade específica ou densidade relativa, e é determinada pela razão entre a densidade da substância e a densidade de uma substância padrão, a determinada temperatura (em geral água a 4 oC, para a qual ρH2O = 1000 kg/m3) (ÇENGEL; BOLES, 2015). Densidade relativa: ρ= ρ 2H O DR (9) Note que a densidade relativa de uma substância é uma grandeza adimensional. No entanto, o valor numérico da densidade relativa de uma substância no SI é exatamente igual a sua densidade em g/cm3 ou kg/l (ou 0,001 vezes a densidade em kg/m3), visto que a densidade da água a 4 oC é de 1 g/cm3 = 1 kg/l = 1000 kg/m3. Por exempo, a densidade relativa do mercúrio a 0 oC é de 13,6. Dessa forma, sua densidade a 0 oC é de 13,6 g/cm3 = 13,6 kg/l = 13600 kg/m3. O Quadro 3 apresenta as densidades relativas de algumas substâncias a 0 oC. É possível observar que algumas substâncias têm densidade relativa menor que 1, sendo mais leves que a água, portanto, elas flutuam na água (ÇENGEL; BOLES, 2015). Substância DR Água 1,0 Sangue 1,05 Água do mar 1,025 Gasolina 0,7 Álcool etílico 0,79 Mercúrio 13,6 Madeira 0,3-0,9 Ouro 19,2 Ossos 1,7-2,0 Gelo 0,92 Ar (a 1 atm) 0,0013 QUADRO 3 – DENSIDADES RELATIVAS DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS A 0 oC FONTE: Çengel e Boles (2015, p. 14) O peso de uma unidade de volume de uma substância é denominado peso específico (ÇENGEL; BOLES, 2015): Peso específico: γ = ρg (N/m3) (10) Em que g é a aceleração da gravidade. UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 22 7 PRESSÃO “A pressão é definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área” (ÇENGEL; BOLES, 2015, p. 22, grifo do autor). Segundo Çengel e Boles (2015), o termo pressão só é utilizado para se referir a um gás ou um líquido. O equivalente à pressão nos sólidos é a tensão normal. Visto que a pressão é definida como sendo força por unidade de área, sua unidade é newtons por metro quadrado (N/m2), designada de pascal (Pa). Sendo assim, temos: 1 Pa = 1 N/m2 No entanto, de acordo com Çengel e Boles (2015), a unidade de pressão pascal é um tanto pequena para representar as pressões encontradas na prática. Dessa forma, geralmente são utilizados os múltiplos dessa unidade, sendo eles o quilopascal (1 kPa = 103 Pa) e o megapascal (1 MPa = 106 Pa). Existem outras unidades de pressão utilizadas, dentre estas se destacam (em especial na Europa), as seguintes: bar, atmosfera padrão e quilograma-força por centímetro quadrado: 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101325 Pa = 101,325 kPa = 1,01325 bar 1 kgf/cm2 = 9,807 N/cm2 = 9,807 x 104 N/m2 = 9,807 x 104 Pa = 0,9807 bar = 0,9679 atm Note que as unidades de pressão bar, atm e kgf/cm2 são quase iguais. No Sistema Inglês, a libra-força por polegada quadrada (lbf/pol2 ou psi) é a unidade de pressão e 1 atm = 14,696 psi. Além disso, as unidades de pressão kgf/cm2 e lbf/pol2 costumam ser indicadas, respectivamente, por kg/cm2 e lb/pol2, e são comumente utilizadas em calibradores de pneus. A partir do que foi apresentado é possível afirmar que 1 kgf/cm2 = 14,223 psi. A pressão também é utilizada para sólidos, porém, como sinônimo de tensão normal, que é a ação da força por unidade de área agindo perpendicularmente à superfície. Podemos tomar como exemplo uma pessoa de 75 quilogramas, que imprime com os pés uma área total de 300 cm2 sobre a superfície. Sendo assim, essa pessoa exerce uma pressão de 75 kgf/300 cm2 = 0,25 kgf/cm2 sobre o piso (Figura 12). Se esta mesma pessoa se apoia somente em um pé, a pressão dobra. Se ela tiver um aumento excessivo de massa, pode sentir desconforto nos pés devido à maior pressão sobre eles (visto que o pé não aumenta com o ganho de peso). Isso pode esclarecer porque uma pessoa consegue caminhar sobre neve fresca e não afunda se utilizar sapatos grandes de neve, e como alguém consegue cortar algo com o mínimo de esforço apenas utilizando uma faca afiada (ÇENGEL; BOLES, 2015). TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 23 FIGURA 12 – A TENSÃO NORMAL (OU PRESSÃO) SOBRE OS PÉS DE UMA PESSOA GORDA É MUITO MAIOR DO QUE SOBRE OS PÉS DE UMA PESSOA MAGRA FONTE: Çengel e Boles (2015, p. 23) A pressão absoluta ou pressão real é medida em relação ao vácuo absoluto (ou seja, a pressão absoluta zero). A pressão absoluta é usada na maior parte das análises termodinâmicas. No entanto, em sua maioria, os manômetros de pressão e de vácuo são calibrados para ler o zero na atmosfera, ou seja, indicam a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica. Essa diferença é denominada pressão manométrica ou pressão efetiva. Isto está apresentado grafi camente na Figura 13 (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Segundo Çengel e Boles (2015), as pressões absoluta, manométrica (ou relativa) e de vácuo são todas quantidades positivas e estão relacionadas entre si, conforme as equações (11) e (12). De acordo com Moran et al. (2013), é utilizado o termo pressão manométrica quando a pressão do sistema é menor em relação à pressão atmosférica local: Pman = Pabs – Patm (11) Quando a pressão atmosférica local é maior em relação à pressão do sistema, utiliza-se o termo pressão de vácuo: Pvácuo = Patm – Pabs (12) UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 24 FIGURA 13 – ILUSTRAÇÃO DOS TERMOS UTILIZADOS EM MEDIDAS DE PRESSÃO FONTE: Borgnakke e Sonntag (2013, p. 32) 7.1 MEDIDAS DE PRESSÃO Segundo Moran et al. (2013), os manômetros e barômetros são instrumentos de medição que realizam a medição da pressão em termos de um comprimento (altura H) de uma coluna de fluido, que pode ser mercúrio, água ou óleo. O manômetro apresentado na Figura 14 tem um lado aberto para a atmosfera e o outro está conectado a um tanque que encerra gás à pressão uniforme. Se tivermos uma massa contínua de um líquido ou um gás em repouso, a uma mesma altura, as pressõesrelativas serão iguais, ou seja, as pressões nos pontos a e b da Figura 14 são iguais. Aplicando um balanço elementar de forças, a pressão do gás é: P = Patm + ρgH (13) Em que: Patm é a pressão atmosférica local; ρ é a massa específica do líquido no manômetro; g é a aceleração da gravidade; H é a diferença entre os níveis do líquido. A Figura 15 apresenta um barômetro, que é formado por um tubo fechado com mercúrio líquido e uma pequena quantidade de vapor de mercúrio, invertido e inserido em um recipiente aberto com mercúrio líquido. Visto que as pressões TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 25 nos pontos a e b são iguais, a pressão atmosférica é fornecida a partir de um balanço de forças e é dada por: Patm = Pvapor + ρmgH (14) Sendo ρm a massa específi ca do líquido mercúrio. Observe que a pressão do vapor de mercúrio é bem menor que a pressão atmosférica, assim, podemos escrever a Equação (14) da seguinte maneira: Patm = ρmgH Em colunas pequenas de líquidos, ρ e g podem ser consideradas constantes nas equações (13) e (14) (MORAN et al., 2013). FIGURA 14 – MANÔMETRO FONTE: Moran et al. (2013, p. 11) Segundo Moran et al. (2013), as pressões medidas com barômetros e manômetros são geralmente representadas em termos de altura H em milímetros de mercúrio (mmHg), polegadas de mercúrio (inHg), polegadas de água (inH2O), e assim por diante. UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 26 FIGURA 15 – BARÔMETRO FONTE: Moran et al. (2013, p. 11) Na Figura 16, podemos observar um manômetro conhecido como tubo de Bourdon. Observa-se na fi gura um tubo curvo com seção reta elíptica e uma das extremidades ligada à pressão que se deseja medir e a outra está conectada a um ponteiro por meio de um mecanismo. Quando o fl uido sob pressão preenche o tubo, a seção elíptica tende a se tornar circular e o tubo se endireita. Esse movimento é transmitido ao ponteiro pelo mecanismo. Essa defl exão do ponteiro pode ser calibrada para pressões conhecidas e, assim, pode ser elaborada uma escala graduada em que uma pressão aplicada pode ser lida em unidades adequadas. Em razão da sua construção, o tubo de Bourdon realiza a medição da pressão relativa às vizinhanças do instrumento. Portanto, quando as pressões interna e externa ao tubo são as mesmas, o ponteiro do manômetro indica o valor zero (MORAN et al., 2013). FIGURA 16 – MEDIÇÃO DE PRESSÃO POR UM MEDIDOR DO TIPO TUBO DE BOURDON FONTE: Moran et al. (2013, p. 11) TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 27 Existem outros meios possíveis de se realizar a medição da pressão. Uma importante classe de sensores utiliza o efeito piezoelétrico: é gerada uma carga no interior de certos materiais sólidos quando estes se deformam. Essa entrada mecânica e saída elétrica proporciona a base para a medição de pressão, bem como medidas de deslocamento e força. Outro importante tipo de sensor utiliza um diafragma que defl ete quando uma força é aplicada, fazendo alterar uma indutância, capacitância ou resistência elétrica. A Figura 17 mostra um sensor de pressão piezoelétrico em conjunto com um sistema automático de aquisição de dados (MORAN et al., 2013): FIGURA 17 – SENSOR DE PRESSÃO COM AQUISIÇÃO DE DADOS AUTOMÁTICA FONTE: Moran et al. (2013, p. 11) UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 28 APLICAÇÕES NA ENGENHARIA Quando lidamos com materiais para transportá-los ou comercializá-los, temos de especificar a quantidade; o que, muitas vezes, é feito pelo volume ou pela massa total. No caso de substâncias com massa específica razoavelmente bem definida, podemos usar ambas as medidas. Por exemplo, água, gasolina, óleo, gás natural, e muitos itens alimentares são exemplos comuns de materiais para os quais usamos volume para exprimir a quantidade. Outros exemplos são as quantidades de ouro, carvão e itens alimentares em que usamos massa para quantificar. Para armazenar ou transportar materiais, muitas vezes precisamos saber ambas as medidas (massa e volume) para sermos capazes de dimensionar o equipamento adequadamente. A grandeza pressão é usada em controle de processos e na imposição de condições limites (segurança). Na maioria das vezes, utiliza-se a pressão manométrica. Para exemplificar o uso da grandeza, considere um tanque de armazenamento dotado de um indicador de pressão para indicar quão cheio ele está. Ele pode conter também uma válvula de segurança, que se abre e deixa material escapar do tanque quando a pressão atinge um valor máximo preestabelecido. Um cilindro de ar com compressor montado sobre ele é apresentado na Figura 18; por ser um equipamento portátil, é utilizado para acionar ferramentas pneumáticas. Um manômetro ativará um contato elétrico para ligar o compressor quando a pressão atingir certo limite inferior, e o desligará quando a pressão atingir certo limite superior (o conjunto manômetro mais um contato elétrico recebe a designação de pressostato). LEITURA COMPLEMENTAR FIGURA 18 – COMPRESSOR DE AR COM CILINDRO DE ARMAZENAMENTO TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 29 Os manômetros apresentados na Figura 19 são conectados aos bicos dos pneus. Alguns manômetros têm um indicador digital. A pressão no interior dos pneus é importante, por questões de segurança e durabilidade dos pneus. Com pressões muito baixas os pneus deformam muito e podem superaquecer; com pressões muito elevadas os pneus têm desgaste excessivo no centro. FIGURA 19 – MANÔMETRO PARA CALIBRAÇÃO DA PRESSÃO DE PNEUS AUTOMOTIVOS Na Figura 20 é mostrada uma válvula de segurança com mola. Um sistema de aperto pode regular a compressão da mola para que a válvula abra em pressões mais baixas ou mais elevadas. Esse tipo de válvula é utilizado em sistemas pneumáticos. FIGURA 20 – DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA VÁLVULA DE SEGURANÇA UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 30 Quando a borboleta do sistema de admissão de ar do motor de um veículo é fechada (Figura 21), diminuindo o fluxo de ar, ela cria um vácuo atrás de si que é medido por um manômetro, o qual envia um sinal para a central de controle do veículo. A menor pressão absoluta (maior vácuo) ocorre quando se tira completamente a pressão do acelerador e a maior pressão quando o motorista o abaixa completamente (exigindo a máxima aceleração do veículo). FIGURA 21 – DISPOSITIVO PARA REGULAGEM DA VAZÃO DE AR DE ADMISSÃO EM UM MOTOR AUTOMOTIVO Um diferencial de pressão pode ser utilizado para medir indiretamente a velocidade de escoamento de um fluido, como mostrado esquematicamente na Figura 22 (este efeito você pode sentir quando estende sua mão para fora de um veículo em movimento; na face voltada para frente do veículo a pressão é maior que na face oposta, resultando em uma força líquida que tenta empurrar sua mão para trás). Em um jet ski, um pequeno tubo tem um de seus extremos voltados para frente, medindo a pressão mais elevada, que ocorre por causa do movimento relativo entre ele e a água. O outro extremo transmite um sinal de pressão que é utilizado por um velocímetro. FIGURA 22 – ESQUEMA DE SISTEMA DE MEDIÇÃO DA VELOCIDADE DE UM FLUIDO TÓPICO 1 | INTRODUÇÃO E COMENTÁRIOS PRELIMINARES 31 A Figura 23 mostra um barômetro aneroide utilizado para medir a pressão absoluta do ar ambiente, a qual é importante na predição de condições climáticas. Ele consiste em uma lâmina fina metálica ou de um fole que expande ou contrai com a pressão atmosférica. A leitura é feita por um ponteiro de deslocamento ou por meio da variação da capacitância elétrica que ocorre pelo distanciamento de duas lâminas. FIGURA 23 – BARÔMETRO ANEROIDE Inúmeros tipos de dispositivos são utilizados para medir temperatura. Talvez o mais comum seja o de vidro, no qual o líquido em seu interior é normalmente o mercúrio. Uma vez que a massaespecífica do líquido diminui com a elevação da temperatura, isso provoca a elevação da altura do líquido na coluna. Outros líquidos são também utilizados em tal tipo de termômetro, dependendo da faixa de temperatura de trabalho. Dois tipos de dispositivos usualmente utilizados para medir temperatura são o termopar e o termistor. Exemplos de termopares são mostrados na Figura 24. Um termopar consiste na junção (solda em uma das pontas) de dois metais diferentes. As pontas soltas se estiverem em uma temperatura diferente da junção soldada, apresentarão diferença de potencial proporcional à diferença de temperatura. Se as pontas soltas estiverem colocadas em um banho de temperatura conhecida (por exemplo, gelo fundente), o sistema pode ser calibrado e a diferença de potencial ser uma indicação de temperatura da junta soldada. Vários pares de metais podem ser utilizados, dependendo da faixa de temperatura em que o termopar será utilizado. O tamanho da junta (e mesmo o diâmetro dos fios do termopar) deve ser o mínimo possível para diminuir o tempo de resposta do instrumento. UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 32 FIGURA 24 – TERMOPARES 1 – Termopar com capa de proteção; 2 – Termopar com capa de proteção e com fi os isolados da capa; 3 – Termopar soldado na capa de proteção; 4 – Termopar com junta exposta para resposta rápida; 5 – Termopar com junta exposta. Termistores são componentes que mudam sua resistência elétrica de acordo com a temperatura. Se uma corrente elétrica conhecida passa por um termistor, a tensão nos seus terminais será proporcional à resistência elétrica. Há formas de amplifi car tal sinal e esse componente pode ser assim utilizado para, em função da medida de tensão, indicar uma medida de temperatura. Medidas de temperatura de elevada precisão são feitas de maneira similar, utilizando-se um termômetro de resistência de platina. Para medir temperaturas muito elevadas, utiliza-se a intensidade da radiação com comprimento de onda na faixa visível. É possível também medir temperatura indiretamente por meio de medidas de pressão. Se a pressão de vapor é conhecida de forma precisa como uma função da temperatura, então ela pode ser utilizada para indicar o valor de temperatura. Em certas condições, um termômetro de gás de volume constante pode também ser utilizado para determinar a temperatura por meio de uma série de medidas de pressão. FONTE: BORGNAKKE, Claus; SONNTAG, Richard E. Fundamentos da Termodinâmica. 8. ed. São Paulo: Blucher, 2013. 33 Neste tópico, você aprendeu que: • A termodinâmica tem um vasto campo de aplicação. • Existem algumas previsões bastante promissoras para a utilização da termodinâmica no mundo. • Um sistema termodinâmico é todo aquele objeto de análise que se deseja estudar. • Existem sistemas fechados e volumes de controle. • Antes de uma análise termodinâmica é fundamental delinear, cuidadosamente, a fronteira do sistema. • Um sistema pode ter seu comportamento investigado do ponto de vista macroscópico ou microscópico. • Podemos classificar as propriedades termodinâmicas em duas classes gerais: as extensivas e as intensivas. • Na termodinâmica se utiliza unidades de medida no SI. RESUMO DO TÓPICO 1 34 1 Considere um local onde a aceleração da gravidade apresenta valor de 9,68 m/s2. Determine o peso de um corpo neste local, ao verificar que sua massa é de dois quilogramas. 2 Considere um local na superfície da Terra onde a aceleração da gravidade é o valor padrão de 9,80665 m/s2. Determine o peso em newtons de um corpo que apresente massa de 2000 kg nesse local. Utilize como base o sistema de unidades SI. 3 De forma a colocar em prática a utilização das unidades no Sistema Inglês, determine o peso de um objeto com massa de 1500 lb localizado na superfície da Terra onde a aceleração da gravidade vale 31,9 ft/s2. 4 Sabe-se que a massa específica do mercúrio a 25 oC é igual a 13 534 kg/m3. Considere uma sala onde se encontra um barômetro de mercúrio com uma coluna de 950 mm de altura. Determine a pressão atmosférica nessa situação, em kPa. Utilize a aceleração da gravidade a 9,807 m/s2. 5 O tanque esférico mostrado na figura a seguir apresenta diâmetro igual a 7,5 m e é utilizado para armazenar fluidos. AUTOATIVIDADE Determine a pressão no fundo do tanque, considerando que: a) O tanque contém gasolina líquida a 25 oC e a pressão na superfície livre do líquido é 101 kPa e ρgasolina = 750 kg/m3. b) O fluido armazenado no tanque é o refrigerante R-134a e a pressão na superfície livre do líquido é 1 Mpa e ρR-134a = 1 206 kg/m3. FONTE: Borgnakke e Sonntag (2013, p. 34, exemplo 1.6) FIGURA 25 – TANQUE ESFÉRICO PARA ARMAZENAR FLUÍDOS 35 TÓPICO 2 ENERGIA E TEMPERATURA UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Neste tópico será feita uma conceituação básica sobre energia em que serão apresentados conceitos básicos relacionando energia interna, energia cinética e energia potencial. Também apresentaremos a definição de temperatura. Será explicado em que consiste a lei zero da termodinâmica e por que ela tem esse nome. Demonstraremos os tipos de termômetros, e, por fim, serão apresentadas as diversas escalas de temperatura, como a Celsius e Kelvin. 2 UMA INTRODUÇÃO SOBRE ENERGIA Segundo Borgnakke e Sonntag (2013), certa quantia de massa macroscópica pode possuir energia na forma de energia interna, inerente a sua estrutura interna, energia cinética como consequência de seu movimento e energia potencial relativa às forças externas que atuam sobre ela. Podemos escrever a energia total da seguinte forma: E = Interna + Cinética + Potencial = U + EC + EP (15) E a energia total específica é: e = E/m = u + ec + ep = u + ½V2 + gz (16) Em que a energia cinética é classificada como a energia em movimento translacional e a energia potencial assume a força gravitacional constante. Caso a energia cinética apresente rotação, deve ser adicionado o termo da energia cinética rotacional (½ω2). Outra forma de energia é o trabalho, que pode ser definido como a força vezes distância. Consequentemente, sua unidade de medida é o “newton-metro (N∙m)”, mais comumente chamado de joule (J), conforme a Equação 17 (ÇENGEL; BOLES, 2015): 1 J = 1 N∙m (17) UNIDADE 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CALORIMETRIA E TERMODINÂMICA 36 No SI é mais comum utilizar a unidade de energia quilojoule (1 kJ = 103 J). No Sistema de Unidades Inglês, a unidade de energia é o Btu (British thermal unit ou unidade térmica britânica, em português), definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 lbm de água de 68 oF para 69 oF. A unidade de energia correspondente ao Btu no sistema métrico é a caloria (cal). Assim, é necessária 1 cal para elevar em 1 oC a temperatura de 1 g de água a 14,5 oC, sendo que 1 cal = 4,1868 J. Em termos de valores, o quilojoule e o Btu são quase iguais (1 Btu = 1,0551 kJ) (ÇENGEL; BOLES, 2015). 3 DEFINIÇÃO DE TEMPERATURA Embora estejamos familiarizados com a temperatura, não é fácil apresentar uma definição para essa propriedade. Porém, com base em nossas percepções sensoriais, sabemos expressar se está “frio” ou “quente” quando tocamos um objeto. Também aprendemos que, ao colocar algo quente em contato com algo frio, o corpo frio aquece e o corpo quente esfria. E se estes corpos ficarem em contato por certo tempo, eles vão chegar a um equilíbrio térmico. No entanto, também reconhecemos que nossa percepção de quente ou frio não é muito precisa, e muitas vezes essa percepção pode até nos enganar, como por exemplo, quando tocamos um metal e uma madeira ao mesmo tempo, o metal sempre vai parecer mais frio, mesmo os dois objetos estando à mesma temperatura (BORGNAKKE; SONNTAG, 2013). Em vista da dificuldade em se definir temperatura, definimos igualdade de temperatura ao considerar que quando a temperatura
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