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Introdução e conceitos básicos TERMODINÂMICA Introdução e conceitos básicos EMB5009 – Termodinâmica 1 Introdução e conceitos básicos Introdução e conceitos básicos 2.2 – Macroscópico X Microscópico Um sistema pode ser analisado do ponto de vista macroscópico ou microscópico: Microscópico Analisa o comportamento dos átomos ou moléculas individualmente Em 1 mm2 a 1 atm e 20°C = 3.1016 moléculas de O2 Existem casos onde é necessário a análise microscópica, mas não neste curso. EMB5009 – Termodinâmica 2 mas não neste curso. Macroscópico Analisa os efeitos totais ou médios de muitas moléculas Exemplo: Pressão em recipiente devido a todas as moléculas ali contidas pressão Introdução e conceitos básicos 2.2 – Macroscópico X Microscópico Considera a matéria como um meio contínuo, homogêneo e sem descontinuidade Hipótese de meio contínuo Macroscópico P1 T1 V1 E1 V2 E Neste curso usamos este EMB5009 – Termodinâmica 3 gás T1 ... Meio contínuo gás Meio não contínuo - moléculas E2 V3 E3 Quando usar: tamanho do sistema analisado é grande com relação ao espaçamento das moléculas Quando usar: gás rarefeito Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Em termodinâmica se estuda a interação de energia entre sistemas. Isso gera uma mudança no sistema. Mas como quantificar isso? Analisa as características do sistema em questão Exemplo: gás em um pistão EMB5009 – Termodinâmica 4 Exemplo: gás em um pistão GÁS Que características são importantes? P; T; V; m; ... Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Em um sistema que não esteja passando por nenhuma mudança é possível medir as propriedades do sistema que definem aquele estado Em um determinado estado todas as propriedades do sistema possuem valor fixo e único m = 1 kg m = 1 kg EMB5009 – Termodinâmica 5 m = 1 kg T = 20 ºC V = 2 m3 m = 1 kg T = 40 ºC V = 2 m3 Estado 2Estado 1 Ou seja Estado de um sistema indica um conjunto de propriedades fixas que descreve o sistema Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Em termodinâmica tratamos de estados em equilíbrio Para dado estado, nenhuma propriedades muda (nem com o tempo nem com a posição dentro do sistema) Eq. termodinâmico Eq. térmico Eq. mecânico Eq. químico Eq. de fase EMB5009 – Termodinâmica 6 Todo o sistema tem a mesma temperatura Não há variação de pressão (significativa) no sistema Composição química fixa Não há mudança de fase em nenhum ponto do sistema Eq. térmico Eq. mecânico Eq. químico Eq. de fase Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Propriedade Característica do sistema (p, v, T, m, etc...) Propriedades INTENSIVAS (T, , p...) Propriedades EXTENSIVAS (m, V...) Independentes da massa do sistema Dependentes da massa do sistema m = 1 kg T = 20 ºC V = 1 m3 EMB5009 – Termodinâmica 7 Dependentes da massa do sistema m V p T ½ m ½ V p T ½ m ½ V p T Extensiva Intensiva Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Recapitulando Um estado termodinâmico é descrito por suas propriedades. Porém quantas e quais? PS: Algumas propriedades estão relacionadas EMB5009 – Termodinâmica 8 POSTULADO DE ESTADO “O estado de um sistema compressível simples é determinado por duas propriedades intensivas independentes” Introdução e conceitos básicos 2.3 – Estado e propriedades de uma substância Sistema compressível simples (SCS): sem efeito de forças externas (gravitacional, magnética, de tensão superficial e etc) ρ1= ρ1(T,v,h) altura é importante!!! ρ2= ρ2(T,v) Altura não é EMB5009 – Termodinâmica 9 Para SCS : Precisa apenas 2 propriedades intensivas independentes para definir completamente o estado altura é importante!!! Não é SCS importante!!! SCS Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Se qualquer propriedade de um estado sofre mudança, o estado muda! p Processo com estado inicial E1 e final E2 EMB5009 – Termodinâmica 10 E1 E2 Processo: toda mudança pela qual um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro E1 e final E2 Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Sequência de processos EMB5009 – Termodinâmica 11 Está em equilíbrio termodinâmico durante os processos? Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Na realidade não. Processos reais não se realizam em equilíbrio. Mas alguns podem ser aproximados como se estivessem! Processo ideal ou quase estático: processo onde o desvio do equilíbrio é infinitesimal e todos os estados pelo qual o processo passa são considerados em equilíbrio – sucessão de estados de equilíbrio (processo lento). EMB5009 – Termodinâmica 12 Quase estático Não quase estático Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Mas por que estudar processos quase-estáticos se eles não refletem a realidade? Se assemelham a processos reais com erro desprezível São fáceis de analisar EMB5009 – Termodinâmica 13 São fáceis de analisar Funcionam como padrões para processos reais (comparações) Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Processos específicos onde alguma propriedade é constante: Isotérmico Isobárico Isocórico (Isométrico) T cte p cte v cte /v V m E inicial = E final EMB5009 – Termodinâmica 14 Ciclo termodinâmico: Quando o sistema sofre uma série de processos e retorna para o estado inicial E inicial = E final PS: Não confundir com ciclo mecânico Introdução e conceitos básicos 2.4 – Processos e ciclos Regime permanente: propriedades não modificam com o tempo 100 ºC 120 ºC tempo = 2 horas m1 m1 100 ºC 120 ºC tempo = 5 horas m1 m1 EMB5009 – Termodinâmica 15 Uniforme: propriedades não modificam com o espaço 100 ºC 100 ºC 100 ºC 100 ºC 100 ºC 120 ºC 100 ºC 100 ºC UNIFORME NÃO UNIFORME Introdução e conceitos básicos 2.5 – Unidades de massa, comprimento, tempo e força Unidades (SI): tempo – s temperatura – K força – N massa – kg 1 mol : quantidade da substância que contém o mesmo número de partículas elementares que 0,012 kg de Carbono-12. Unidade de força: F ma Unidades básicas – outras derivam delas EMB5009 – Termodinâmica 16 Unidade de força: F ma 2 m N kg s Homogeneidade dimensional: laranjas não interagem com maçãs, apenas com laranjas F = 2 N + 3 N OK F = 2N + 3 kg NÃO Introdução e conceitos básicos 2.7 – Volume específico e massa específica Volume específico: volume ocupado por 1 unidade de massa da substância 3V m m kg 3 propriedades muito úteis em termodinâmica: volume específico, temperatura e pressão EMB5009 – Termodinâmica 17 Massa específica: massa associada a 1 unidade de volume da substância 3 m kg V m Importante: volume específico é o inverso da massa específica 1 Introdução e conceitos básicos 2.7 – Volume específico e massa específica Em base molar: 3 mol M m 3m M kg M kmol Peso molecular EMB5009 – Termodinâmica 18 M mol PS: 1 litro = 10-3 m3 PS2: o volume específico pode variar com a altura, mas essa variação é geralmente insignificante Introdução e conceitos básicos Exemplo 2.2 Van Wylen Volume específico médio e densidade média: O recipiente mostrado na figura abaixo, com volume interno de 1m3, contém 0,12 m3 de granito (2750 kg/m3), 0,15m3 de areia (1500 kg/m3) e 0,2 m3 de água líquida a 25°C (997 kg/m3). O restante do volume interno do recipiente (0,53 m3) é ocupado por ar (1,15 kg/m3). Determine o volume específico médio e a densidade média da mistura contida no recipiente. EMB5009 – Termodinâmica 19 Introdução e conceitos básicos Não confundir densidade com densidade relativa! 2H O DR Densidade relativa (DR) 2.7 – Volume específico e massa específica EMB5009 – Termodinâmica 20 2 3 0 1000H O kg C m
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