2020-ET Aula01 - Revisão de Aspectos Gerais da Termodinâmica

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Aula 1 – Aspectos Gerais da Termodinâmica 
05/02/2019 
Curso: Engenharia Mecânica 
Série: 6º/7º Semestre 
Energia Térmica 
Aula 1 – Revisão de Aspectos 
Gerais da Termodinâmica 
Quarta 19:10 às 22:00 
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1 – Sistemas Termodinâmicos 
Um sistema termodinâmico é um dispositivo ou um conjunto de dispositivos que 
compreendem uma certa quantidade de matéria. É importante que se defina 
cuidadosamente o sistema em consideração e suas fronteiras. 
Podem-se definir três tipos de sistemas: 
- Sistema fechado. É definido como um sistema no qual não há fluxo de massa através 
de suas fronteiras. Em alguns livros, é também definido como massa de controle. 
- Sistema aberto. É definido como um sistema no qual o fluxo de massa através de suas 
fronteiras é permitido. O termo sistema aberto também é conhecido como volume de 
controle. 
- Sistema isolado. É um sistema fechado que não é afetado pelos seus arredores. 
Massa, calor e trabalho não atravessam suas fronteiras. 
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2 – Processo 
Processo é uma mudança física ou química nas propriedades de uma substância ou a 
conversão de energia de uma forma para outra. O prefixo “iso” é empregado para 
descrever, por exemplo, um processo isotérmico (temperatura constante), isobárico 
(pressão constante) e isocórico (volume constante). 
3 – Ciclo 
Ciclo é uma série de processos termodinâmicos nos quais as condições do estágio final ou 
propriedades da matéria são idênticas às do estágio inicial. 
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4 – Propriedade Termodinâmica 
É uma característica física da substância, a qual é usada para descrever seu estado. 
Quaisquer duas propriedades usualmente definem o estado ou a condição de uma 
substância, a partir das quais todas as outras propriedades são derivadas. Alguns exemplos 
são a temperatura, a pressão, a entalpia e a entropia. 
Propriedades termodinâmicas são classificadas como propriedades intensivas 
(independente da massa, exemplos, pressão temperatura, densidade) e propriedades 
extensivas (dependentes da massa, exemplos, massa e volume total). Propriedades 
extensivas por unidade de massa, como volume específico, tornam-se propriedades 
intensivas. 
Diagramas de propriedades das substâncias podem ser apresentados na forma gráfica e 
sumarizam as proprieades principais listadas nas tabelas de propriedades, por exemplo, 
tabelas de gases refrigerantes. 
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5 – Calor Sensível e Calor Latente 
É conhecido que todas as substâncias podem manter certa quantidade de energia térmica; 
esta propriedade é sua capacidade térmica. 
Quando um líquido é aquecido, sua temperatura se eleva até o ponto de ebulição. Esta é a 
máxima temperatura que ele pode alcançar na pressão medida. 
O calor absorvido pelo líquido enquando sua temperatura se eleva até o ponto de ebulição 
é chamado de calor sensível. 
O calor necessário para mudança de estado entre líquido e vapor na mesma temperatura e 
pressão é chamado de calor latente. Esta é a variação de entalpia durante a mudança de 
estado (a quantidade de calor absorvida ou rejeitada em temperatura constante em 
qualquer pressão, ou a diferença em entalpias de um líquido puro em condensação entre os 
estados de saturado seco e saturado líquido na mesma pressão). 
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6 – Calor Latente de Fusão 
Fusão é associada com o derretimento e congelamento de um material. Para as 
substâncias mais puras existe uma temperatura específica de fusão e congelamento 
relativamente independente da pressão. Por exemplo, o gelo começa e derreter a 0oC. A 
quantidade de calor necessária para derreter 1 kg de gelo a 0oC para 1kg de água a 0oC é 
chamado de calor latente de fusão e é igual a 334,92 kJ/kg. A remoção da mesma 
quantidade de calor de 1 kg de água a 0oC transforma-o novamente em gelo. 
7 – Vapor 
Vapor é um gas em ou quase equilíblio com a fase líquida – um gás sob a curva de 
saturação ou ligeiramente acima da linha de vapor saturado. A qualidade do vapor é 
teoricamente assumida, ou seja, quando o vapor deixa a superfície do líquido, gotas do 
líquido também escapam com o vapor. Quando uma mistura de líquido e vapor existem, a 
proporção da massa do vapor para a massa total da mistura líquido e vapor é 
chamada de título (quality), e é expresso como porcentagem ou fração decimal. 
Vapor superaquecido é o vapor saturado ao qual calor continuou sendo adicionado, 
elevando sua temperatura acima do ponto de ebulição. 
Consideremos uma massa m com qualidade x. O volume é a soma dos volumes do líquido 
e do vapor, definido como V = Vliq + Vvap. 
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7 – Vapor (cont.) 
Escrito em termos de volumes específicos, temos: m.v = mliq . vliq + mvap . vvap. Dividindo-se 
todos os termos pela massa total, temos: v = (1 – x).vliq + x.vvap = vliq + x.vliq,vap, onde 
vliq,vap = vvap – vliq. 
8 – Tabelas Termodinâmicas 
As tabelas termodinâmicas foram publicadas pela primeira vez em 1936 como tabelas de 
vapor por Keenan e Keyes e mais tarde em 1969 e 1978, estas foram revisadas e 
republicadas. O uso de tabelas termodinâmicas de muitas substâncias variando de água a 
refrigerantes é muito comum em projetos. 
Na literatura, são conhecidas também como tabelas de vapor (steam tables ou vapor 
tables). 
Diagrama de vapor da água. 
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9 – Estado e Mudança de Estado 
O estado de um sistema é definido como a condição do sistema ou substância 
caracterizado por certos valores de propriedades macroscópicas observáveis, como 
temperatura e pressão. Cada uma das propriedades da substância em um dado estado têm 
um único valor definido, não importando como a substância chegou àquele estado. Por 
exemplo, quando calor suficiente é adicionado ou removido numa dada condição, a maioria 
das substâncias sofre uma mudança de estado. A temperatura permanece constante até 
que a mudança de estado esteja completa. Esta pode ser de sólido para líquido, de líquido 
para vapor ou vice-versa. 
10 – Energia Interna Específica 
A energia interna representa o tipo de energia no nível molecular. Energia interna 
específica é uma medida da energia de uma sistema simples em equilíbrio como função de 
Cv.dT. Em muitos processos termodinâmicos em sistemas fechados, as únicas mudanças 
significativas de energia são mudanças de energia interna, e o trabalho significante feito por 
um sistema na ausência de atrito é o trabalho de expansão pressão-volume, como num 
mecanismo de pistão-cilindro. A energia interna específica de uma mistura de líquido e 
vapor pode ser escrita da seguinte forma: u = (1 – x).uliq + x.uvap = uliq + x.uliq,vap, onde 
vliq,vap = vvap – vliq. 
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11 – Entalpia Específica 
Entalpia é uma outra medida de energia por unidade de massa de uma substância. A 
entalpia específica é usualmente expressa em kJ/kg ou Btu/lb e é normalmente expressa 
como função de Cp.dT. Uma vez que a entalpia é uma função de estado é necessário que 
seja medida com base em algum estado de referência. A prática usual é determinar os 
valores de referência que são chamados de entalpia de formação padrão. A entalpia 
específica de uma mistura líquido e vapor pode ser escrita como: h = (1 – x).hliq + x.hvap = 
hliq + x.hliq,vap, onde hliq,vap = hvap – hliq. 
12 – Entropia Específica 
Entropia é a proporção do calor adicionado a uma substância à temperatura absoluta na 
qual o calor foi adicionado, e é uma medida da desordem molecular de uma substância 
num dado estado. A entropia específica de uma mistura de líquido e vaporpode ser escrita 
por: s = (1 – x).sliq + x.svap = sliq + x.sliq,vap, onde sliq,vap = svap – sliq. 
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13 – Substância Pura 
Uma substância pura é definida como aquela que possui composição química homogênea 
e invariável. Apesar de ter a mesma composição química, pode estar em mais de uma 
fase, isto é, líquido, uma mistura de líquido e vapor, e uma mistura de sólido e líquido. Cada 
fase tem a mesma composição química. Contudo, uma mistura de ar líquido e ar gasoso 
não pode ser considerada como uma substância pura, uma vez que a composição de cada 
fase difere uma da outra. 
14 – Gases Ideais 
Em muitos cálculos práticos de termodinâmica, gases como o ar e o hidrogênio podem ser 
tratados como gases ideais, particularmente para temperaturas muito acima das 
temperaturas críticas e para pressões muito menores que as pressões de saturação nas 
temperaturas correspondentes. Um gás ideal pode ser descrito em termos de três 
parâmetros: o volume que ocupa, a pressão que exerce e sua temperatura. De fato, 
todos os gases e vapores incluindo o vapor d’água em pressões muito baixas exibem 
comportamento de gás ideal. A vantagem prática de tratar gases reais como ideais é que 
uma simples equação de estado com uma única constante pode ser aplicada segundo a 
forma PV = mRT, sendo a constante R diferente para cada gás e dependente da massa 
molecular: R = R/M, onde R = 8,314 kJ/(kmol.K) e M representa a massa molecular da 
substância em kg/kmol. 
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14 – Gases Ideais (cont.) 
Outra simplificação do comportamento de gases ideais é que quando se assume que os 
calores específicos a pressão e volume constantes não variem, mudanças na energia 
interna específica e na entalpia específica podem ser calculadas simplesmente sem 
referências a tabelas termodinâmicas e gráficos, a partir das seguintes expressões: 
 Du = u2 – u1 = Cv(T2 – T1) 
 Dh = h2 – h1 = Cp(T2 – T1) 
 
 
Outra relação útil para gases ideais obtida das expressões: 
 h = u + pv = u + RT e Cv – Cp = R. 
15 – Transferência de Energia 
A energia pode ser vista como a capacidade de realizar trabalho. A energia pode tomar 
um número de formas durante a transferência. A energia térmica flui somente de um nível 
mais alto para um nível de temperatura mais baixa, a menos que trabalho externo seja 
adicionado para reverter o processo. A taxa de transferência de energia por unidade de 
tempo é definida como potência. 
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16 – Calor 
O experimento definitivo que mostrou que o calor era uma forma de energia que pode ser 
convertida em outras formas foi conduzida por um físico escocês, James Joule. Calor é a 
energia na forma térmica e a transferência de calor ocorre quando existe a diferença de 
temperatura em um meio ou entre diferentes meios. Seguindo-se a convenção comum nos 
cálculos de termodinâmica, a transferência de calor para um sistema é positiva, enquanto 
que a transferência do sistema é considerada negativa. Quando não há transferência de 
calor num processo, este é denominado adiabático. 
17 – Trabalho 
Trabalho é a energia que é transferida por uma diferença de pressão ou força e é 
subdividida em trabalho de eixo e trabalho de fluxo. Trabalho de eixo é a energia 
mecânica usada para mover um mecanismo, como por exemplo, uma bomba, um 
compressor ou uma turbina. Trabalho de fluxo é a energia transferida a um sistema por um 
fluido fluindo para este ou deste sistema. Na convenção usual, trabalho feito pelo sistema 
é considerado positivo e trabalho realizado sobre o sistema é considerado negativo. 
A unidade para potência ou taxa de realização de trabalho é Joule por segundo ou Watt 
(W). 
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18 – Primeira Lei da Termodinâmica 
Termodinâmica é a ciência da energia e da entropia, e a base da termodinâmica é a 
observação experimental. Na termodinâmica estas observações foram compostas em 4 leis 
básicas: 0, 1, 2, e 3 leis da termodinâmica. A primeira e a segunda leis da termodinâmica 
são ferramentas mais comuns na prática devido ao fato de que as conversões de energia 
são governadas por essas duas leis. 
A primeira lei pode ser definida como a lei da conservação da energia e define que em um 
sistema fechado a energia não pode ser criada nem destruída. Numa mudança de estado 
entre a condição inicial 1 e a condição final 2 com uma quantidade constante de matéria, a 
primeira lei pode ser formulada como segue: 
19 – Segunda Lei da Termodinâmica 
A Seunda Lei da Termodinâmica determina sobre os sistemas termodinâmicos práticos, e 
indica que é impossível se ter eficiência de 100% em conversão de energia. As declarações 
clásicas de Kelvin-Plank, assim como de Clausius nos ajudam a formular a segunda lei. 
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𝑞 − 𝑤 = 𝑢 + 𝑝𝑣 +
𝑉2
2
+ 𝑔ℎ
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
− 𝑢 + 𝑝𝑣 +
𝑉2
2
+ 𝑔ℎ
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 
𝑄 − 𝑊 = 𝑚 𝑢 + 𝑝𝑣 +
𝑉2
2
+ 𝑔ℎ
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
− 𝑢 + 𝑝𝑣 +
𝑉2
2
+ 𝑔ℎ
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 
𝑘𝐽
𝑠
 𝑜𝑢 𝑘𝑊 
𝐶𝑜𝑚 𝑎 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚 𝑒𝑚 𝑘𝑔 𝑠 , 𝑡𝑒𝑚𝑜𝑠: 
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19 – Segunda Lei da Termodinâmica (cont.) 
Declaração de Kelvin-Plank: É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo 
(por exemplo um motor) que realize somente a extração de energia de alguma fonte e sua 
completa conversão para trabalho. Esta declaração descreve a impossibilidade de se ter 
um motor com uma eficiência térmica de 100%. 
Declaração de Clausius: É impossível construir um dispositivo operando em um ciclo (por 
exemplo, um refrigerador ou bomba de calor), que transfira calor de uma região a baixa 
temperatura para uma região à alta temperatura. 
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Referência 
Dinçer, Ibrahim, and Rosen, Marc A., “Thermal Energy Storage”, 2nd Ed., John Willey and 
Sons, 2011. 
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