Conceitos Preliminares de Termodinâmica

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CAPÍTULO 1 - Alguns Comentários Preliminares
● O estudo da termodinâmica:
○ Focado em analisar processos que ocorrem nos equipamentos.
○ Também importante para estudo de materiais, reações químicas e dos
plasmas.
● Instalação simples de uma central termoelétrica:
○ Vapor a altas temperaturas e pressão sai da caldeira e vai para a
turbina.
○ Na turbina ele se expande → Acionando o gerador elétrico.
○ Nem todo vapor é usado para acionamento da turbina
■ Esse vapor sai da turbina com a pressão baixa.
■ Entra no trocador de calor onde transfere calor do vapor para
água de refrigeração → Condensando-o.
➢ Fazendo o vapor voltar para o processo.
○ Água de refrigeração.
■ É necessária em grandes quantidades.
■ Poluição térmica → Pode ser resfriada em torres de
resfriamento.
○ Apesar de ser um ciclo simples
■ Possui diversos equipamentos complexos.
○ Combustíveis utilizados:
■ Carvão mineral, gás natural, óleo combustível e as biomassas.
■ Algumas usam calor de reações nucleares.
● Célula combustível:
○ A produção de energia é feita de forma mais direta.
○ O esquema é do tipo membrana de troca de íon.
■ O hidrogênio e o oxigênio reagem para formar água.
■ Há um fluxo de elétrons → do ânodo para o cátodo.
○ Há diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo:
■ Proporcionando fluxo de elétrons → trabalho.
○ Pode haver troca de calor da célula para o meio.
○ O combustível mais utilizado é o hidrogênio.
○ O oxidante em geral é o oxigênio.
● Ciclo de Refrigeração por pressão de vapor:
○ Refrigerante entra no compressor como vapor superaquecido a baixa
pressão.
○ Esse vapor é descarregado no compressor.
■ Entrando no condensador como vapor a pressões elevadas.
■ Refrigerante é condensado → por transferência de calor.
■ Refrigerante sai do condensador com pressão elevada.
➢ Líquido.
○ Enquanto escoa → líquido perde a pressão.
■ Provoca a evaporação instantânea → Líquido restante vaporiza
no evaporador.
○ Após a operação → vapor volta ao compressor.
● Refrigerador térmico:
○ É uma forma de reduzir os custos da produção de energia.
○ São similares aos pares termoelétricos convencionais.
■ Dois materiais diferentes são utilizados.
○ Esses materiais possuem duas junções:
■ Uma localizada no espaço refrigerado.
■ O outro no meio ambiente.
○ Tendo uma ddp → Temperatura na junção no espaço refrigerado
diminui.
■ Na outra junção → a temperatura aumenta.
○ Em regime permanente:
■ Junção fria → transferência de calor dela para o refrigerado.
■ Na outra junção → transferência de calor dela para o ambiente.
○ Não é financeiramente a melhor opção.
● Equipamento de decomposição do ar:
○ Importante industrialmente → Separa os componentes do ar.
■ Usado em indústria dos processos químicos e o da criogenia.
○ Existem vários tipos de instalações para a decomposição do ar.
○ Criogenia é fundamental para muitos aspectos do programa espacial.
■ Essencial ter conhecimento amplo de termodinâmica.
● Turbina a gás:
○ Similar a do ciclo de potência a vapor → Fluido de trabalho é o ar.
○ São usualmente preferidas para gerar potência.
■ Principalmente quando o espaço físico é limitado e deseja gerar
grandes potências.
○ Esse ciclo pode ser combinado com um outro que utiliza água como
fluido de trabalho.
● Motor químico de foguete:
○ Pode ser classificado de acordo com o tipo de combustível:
■ Sólido ou líquido.
○ Nesses ciclos:
■ Tanques de oxidante e combustível ocupam a maior parte do
volume de um foguete.
➢ O alcance é determinado pela quantidade transportada.
○ Oxigênio líquido → utilizado como oxidante.
○ Existem diversas opções de combustíveis.
● Outras aplicações e aspectos ambientais:
○ Calor produzido por decomposição de matéria orgânica:
■ Utilizado para produzir energia elétrica.
○ Gás gerado da decomposição do lixo:
■ O metano presente é coletado e utilizado na geração de
energia.
○ Termodinâmica é vital para:
■ Analisar processos de conversão de combustíveis;
■ Análise de processos de cura de estruturas de concreto;
■ Análise de processos de resfriamento de componentes
eletrônicos;
■ Entre outros.
○ Aspectos ambientais relacionados com processos e equipamentos:
■ Precisa se manter atento ao que pode ser gerado por eles.
CAPÍTULO 2 - Alguns Conceitos e Definições
● Termodinâmica → Ciência ligada à energia e à entropia.
○ Trata do calor, do trabalho e das propriedades das substâncias
relacionadas a essas duas.
○ As descobertas experimentais foram formalizadas em quatro leis.
● Sistema termodinâmico:
○ É a quantidade de matéria, tendo massa e identidade fixas, que está
sendo estudada.
○ Tudo externo ao sistema → vizinhança.
■ Separada do sistema pelas fronteiras.
○ Sistema aberto → troca energia e matéria com o meio.
○ Sistema fechado → troca apenas energia com o meio.
○ Sistema isolado → não troca nem matéria nem energia com o meio.
● Volume de controle:
○ Usado para analisar equipamentos onde há escoamento de massa.
■ Análise envolve fluxo de massa.
○ Ele envolve o equipamento.
○ A superfície que envolve esse volume é chamada de superfície de
controle.
● Pontos de vista macroscópico e microscópico:
○ Para um sistema microscópico → É preciso lidar com 6x1020 equações.
○ Para um sistema macroscópico:
■ Utiliza a termodinâmica clássica macroscópica.
➢ Leva em consideração os efeitos totais ou médios.
■ Efeitos podem ser medidos por instrumentos.
■ Ação isolada de uma molécula não é o que importa.
■ Volumes considerados → maiores que os moleculares.
● Estudo e propriedades de uma substância:
○ Fase → Quantidade de matéria totalmente homogênea.
■ Mais de uma fase juntas:
➢ São separadas por fronteiras de fase.
○ Estado → descrito por propriedades macroscópicas observáveis.
■ Em cada fase → substância pode existir a várias pressões e
temperaturas.
■ Em um dado estado → propriedades apresentam um valor
específico.
➢ Esse valor não muda nesse estado.
■ Uma propriedade depende do estado do sistema.
➢ Independe do caminho pelo qual o sistema chegou nesse
estado.
■ Propriedade do sistema muda → chama-se mudança de estado.
○ Propriedades intensivas → Independem da massa.
○ Propriedades extensivas → Dependem da massa.
■ Divididas por unidades de massa → tornam-se intensivas.
○ Propriedades de um sistema → Implicam no equilíbrio.
○ Equilíbrio térmico → temperatura é uma propriedade do sistema.
○ Equilíbrio mecânico → pressão não varia.
■ Apenas se o sistema estiver totalmente isolado.
○ Equilíbrio químico → quando uma reação é reversível.
■ Velocidade da reação direta é igual a reação inversa.
○ Equilíbrio termodinâmico → sistema em equilíbrio para todas as
mudanças de estado.
● Processos e ciclos:
○ Processo:
■ Caminho definido pela sucessão de estados pelos quais um
sistema percorre.
■ Processo ideal → processo quase em equilíbrio.
➢ Processos reais podem ser modelados por processos de
quase-equilíbrio.
■ Processos de não-equilíbrio:
➢ Durante a mudança de estado, o sistema não entra em
equilíbrio.
➢ Limita-se a uma descrição antes e depois que o processo
ocorre.
■ Processos isotérmicos → à pressão constante.
■ Processos isobáricos → à pressão constante.
■ Processos isocóricos → à volume constante.
○ Ciclo → Quando o estado inicial e final de um sistema são iguais após
várias mudanças de estado.
● Força:
○ Conceito vem da segunda lei de Newton.
■ A força que atua sobre um corpo é proporcional ao produto da
massa desse corpo pela aceleração → 𝐹 = 𝑚𝑎
○ No SI é dada em newton (N) → 1𝑁 = 1𝑘𝑔𝑚/𝑠2
○ No Sistema Inglês:
■ Força é uma quantidade independente.
■ A unidade é definida por procedimentos experimentais.
■ A força com que uma libra-massa é atraída pela gravidade é
dada em libra-força.
➢ Força, massa, comprimento e tempo tem definições
independentes → 𝐹 = 𝑚𝑎𝑔
𝑐
■ é a constante que relaciona as unidades de força, massa,𝑔
𝑐
comprimento e tempo.
➢ Usado para conversão de unidades.
● Tempo → No SI a unidade básica é segundos (s).
● Comprimento→ No SI a unidade básica é o metro (m).
○ No Sistema Inglês é o pé (ft) → 1𝑓𝑡 = 0, 3048𝑚
● Massa → No SI a unidade básica é quilograma (kg).
○ No Sistema Inglês é libra-massa (lbm) → 1𝑙𝑏𝑚 = 0, 45359237𝑘𝑔
○ Unidade associada muito utilizada → mol.
■ Quantidade de substância que contém o mesmo tanto de
partículas que existem de átomos em 0,012 kg de carbono-12.
■ Usualmente chamado de grama-mol.
➢ Quantidade da substância igual ao peso molecular.
■ No Sistema Inglês é libra-mol (lbmol) → Igual a massa
molecular da substância.
○ Peso → usado corretamente quando associado a força.
■ Força com que um corpo é atraído pela Terra.
■ A massa de um corpo não varia com a altura → o peso sim.
● Energia:
○ Capacidade de produzir efeito.
○ Ela pode ser acumulada em um sistema.
○ Também pode ser transferida de um sistema para o outro.
○ Do ponto de vista microscópico:
■ Preocupação é com a energia acumulada nas moléculas.
○ Do ponto de vista macroscópico:
■ Preocupação com:
➢ A quantidade de calor que é transferida;
➢ E na mudança das propriedades.
● Volume Específico:
○ Volume ocupado pela unidade de massa.
○ Símbolo 𝜈.
○ Num campo gravitacional, pode variar de ponto a ponto em um
sistema.
■ Pode variar com e elevação.
○ Unidade no SI → m3/kg
● Massa específica:
○ Massa associada à unidade de volume.
○ Inverso do volume específico.
○ Símbolo 𝜌.
○ Unidade no SI → kg/m3
● Pressão → para líquidos e gases.
○ Para sólidos → tensão.
○ Em um ponto do fluido → a pressão é igual em todas as direções.
○ Definida como a componente normal da força por unidade de área.
○ No SI → 1 Pa = 1 N/m².
■ Em atmosfera padrão → 1 atm = 101 325 Pa.
○ No Sistema Inglês é dado em lbf/in² → 1 lbf/m² = 6894,757 Pa.
○ Em um equilíbrio:
■ Gás exerce a mesma pressão em todas as fronteiras.
➢ E o valor é o módulo da pressão externa.
○ Pressão absoluta:
■ Utilizada na maioria das análises termodinâmicas.
■ Muito difícil de ser medida.
○ Pressão manométrica:
■ O que é medido na maioria dos manômetros.
■ É a diferença entre pressão absoluta e atmosférica.
■ É dada também por: 𝑝 = 𝜌ℎ𝑔
➢ Produto entre a massa específica, a altura e a gravidade.
● Igualdade de temperatura:
○ Dois corpos em igual temperatura não apresentam alterações em
propriedades mensuráveis.
■ Para corpos em contato térmico.
● Lei Zero da Termodinâmica:
○ Dois corpos em igualdade de temperatura em contato com um terceiro.
■ Os três estarão em igualdade de temperatura.
○ Constitui a base da medição de temperatura.
■ O que proporciona a necessidade de escala padrão de
temperatura.
● Escalas de temperatura:
○ No SI → Celsius (°C)
■ Até 1954, era baseada em dois pontos fixos:
➢ Fusão do gelo;
➢ Vaporização da água.
■ A partir de 1954 ficou definida no ponto fixo → ponto triplo da
água.
○ Escala absoluta → independente da substância termométrica.
■ Escala Kelvin (K).
■ Relação com Celsius → .𝐾 = °𝐶 + 273, 15