AP1 - TERMODINAMICA

Prévia do material em texto

· Termodinâmica: Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é conhecida vem desde a Antigüidade, seu estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz. Atualmente: espectro bastante abrangente, como ciência da ENERGIA e das relações entre as PROPRIEDADES da matéria.
Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.
Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança.
A relação seguinte mostra algumas áreas de aplicação da Termodinâmica na Engenharia:
Motores de automóveis
Turbinas
Bombas e Compressores
Usinas Térmicas (nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte térmica)
Sistemas de propulsão para aviões e foguetes
Sistemas de combustão
Sistemas criogênicos, separação de gases e liquefação
Aquecimento, ventilação e ar condicionadoRefrigeração (por compressão de vapor , absorção ou adsorção)
Bombas de calor
Sistemas energéticos alternativosCélulas de combustível
Dispositivos termoeléctricos e termoiônicos
Conversores magnetohidrodinâmicos (MHD)
Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica
Sistemas Geotérmicos
Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das marés)
Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica)
Aplicações biomédicas:Sistemas de suporte à vida
Órgãos artificiais.
· Processos termodinamicos : Os processos termodinâmicos são as alterações que um
estado sofre quando da alteração de suas propriedades. Os processos podem ser isotérmicos, isobáricos, isométricos, isoentálpicos, isoentrópicos e adiabáticos.
 
 - Isotérmicos : Quando executados a temperatura constante.
 - Isobáricos ou isocóricos: Quando executados a pressão constante.
 - Isométricos: Quando executados a volume constante.
 - Isoentálpicos: Quando não existe variação de entalpia.
 - Isoentrópicos: Quando a entropia é mantida constante.
 - Adiabáticos: Quando não existe troca de calor.
Quanto ao sentido em que ocorrem, os processos podem ser irreversíveis ou reversíveis. Irreversíveis são aqueles queocorrem sempre em um só sentido, sendo, por isso, fácil reconhecera ordem temporal com que acontecem. Os processos reversíveis são processos que, após terem ocorrido em um dado sentido, também podem ocorrer naturalmente no sentido oposto (ou não), voltando ao estado inicial. Quando um sistema passa por uma série de processos termodinâmicos e volta ao estado inicial, diz-se que ele executou um ciclo termodinâmico.
· Lei Zero: A lei Zero da Termodinâmica diz que “Se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio térmico um com o outro”.
Em termodinâmica, isso significa que essa anteprimeira lei demonstra como acontecem as trocas de calor entre os corpos. O postulado ainda define a escala de temperatura, expressa em medidas como o Celsius, o Fahrenheit, o Kelvin.
· Substancias Puras: Substância pura é aquela que apresenta a mesma composição química em toda sua extensão, como por exemplo, água, nitrogênio, dióxido de carbono, etc. As substâncias puras existem em diferentes fases, sólida, líquida e gasosa. Mesmo dentro de uma fase a substância pode ter diversas configurações moleculares que as diferencia, exemplo carbono diamante e grafite. Além disso, várias fases podem coexistir como, por exemplo, gelo (sólida) e água (líquida) num mesmo recipiente. Também não podemos deixar de evidenciar a importância da pressão e da temperatura na mudança das fases, afinal água a 120°C encontra-se no estado de vapor a pressão ambiente, mas no estado líquido se pressurizada em uma panela de pressão
Para estudar as substâncias puras de forma a empregar a energia contida nelas, é necessário o conhecimento das propriedades da matéria.
As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas como intensivas ou extensivas. As propriedades independentes são aquelas que independem do caminho. A pressão, o volume específico, a temperatura, a entalpia e a entropia, que veremos posteriormente, são propriedades independentes e podem caracterizar um estado. A regra das fases estabelece que, para um sistema em equilíbrio.
· Mudanças de Fase: As mudanças de fase ocorrem na temperatura e pressão de saturação. Para que ocorra uma mudança de fase, é necessário a adição ou liberação de grandes quantidades de energia, que são os calores latentes de fusão e de calor latente de vaporização e, no sentido inverso,o calor e latente de solidificação e o calor latente de condensação.A passagem direta da fase sólida para a fase vapor é denominada sublimação, e o calor latente é chamado de calor
latente de sublimação.
· Variações das propriedades das substâncias puras :Vamos estudar as variações das propriedades das substâncias puras empregando os diagramas T-v, P-T e P-v. O emprego desses diagramas permite a fácil visualização e o entendimento dos conceitos de ponto crítico e ponto triplo.
· Primeira lei da termodinamica : A 1a. lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da
conservação de energia. Ela afirma que a energia não pode ser criada ou tampouco destruída, somente pode ser transformada. A unidade da energia no Sistema Internacional de Medidas é o Joule (J).A Primeira Lei diz que a diferença entre calor e trabalho é dada pela variação de energia do sistema. A Equação é uma das formas de representação da 1a. lei da termodinâmica.
 
W = Trabalho realizado pelo sistema.
Q= Quantidade de calor que pode ser adionada ou retirada.
ΔE= É a variação de energia total do sistema.
 -Trabalho : Trabalho são todas as outras formas de alterar a energia do sistema que não seja por meio de adição ou remoção de calor. É uma transferência de energia entre o sistema e a vizinhança. O trabalho não pode ser armazenado, somente transferido.
 
 - Trabalho mecânico – exercido por um pistão :
 
W= trabalho realizado em Joules.
F= força aplicada,em Newton.
x= deslocamento resultante da força aplicada
sobre o objeto, em metros.
- Calor (Q) : Calor é a transferência de energia entre corpos devido à diferença de temperatura entre eles.
Taxa de Calor transferido: 
.
Q=é a taxa de calor trocado pelo sistema (medida em J/s ou W, 1J/s=1W).
 A é a área através da qual o calor é transferido (em m2).
 ΔT é a diferença de temperatura efetiva entre o sistema e o meio (em K). A variável U (em W/m2.K).
(kg/s) = sendo a vazão mássica do fluido, 
(J/kg.K), que é o calor específico da substância.
A diferença entre trabalho e calor é a variação de energia, ΔE e é avaliada, assim como o tra balho e o calor, em Joules, J. Diferentemente do calor e do trabalho, a variação de energia
é uma função de estado e não da trajetória: ela é independentedo caminho.
Energia Cinetica : A energia cinética é aquela que se deve ao movimento dos corpos; quando a velocidade do movimento é alterada ocorre, por consequência, uma alteração da energia cinética do
corpo ou do sistema.
= variação de energia cinética
m = massa do corpo ou sistema (kg)
v1 e v2 = velocidades
Energia Potencial: A energia potencial de um objeto em um campo de forças
(que pode ser gravitacional, magnético ou elétrico) é aquela que o corpo possui por estar no interior do campo de força. Se o objeto ou o sistema mudar de posição, o valor da energia potencial é alterado.
 
= variação de energia potencial
z1 e z2 = alturas 
Energia Interna: é a soma das energias cinética e potencial relacionadas ao movimento dos átomos e moléculas constituintes de um corpo. A energia interna também é diretamente proporcional à temperatura do corpo. Trata-se de uma grandeza escalar medida em Joules (SI) e determinada em função de variáveis como pressão (P), volume (V) e temperatura termodinâmica (T) de um sistema, em Kelvin (K).
A variação de energia interna entre dois estados é dada pela equação: 
Entalpia (H): Aentalpia é uma forma de energia, uma propriedade termodinâmica. A entalpia específica, h, que é a encontrada nas tabelas termodinâmicas, é a relação entre a entalpia e a massa da substância, assim como a energia interna, não pode ser medida; ela é calculada a partir de outras variáveis, como a massa, a temperatura, a pressão, o volume e a composição do sistema.
· Relação entre Calor Específico a Volume Constante (Cv) e Calor Específico a Pressão Constante(Cp): Essa diferença se explica tendo em vista que, para uma mesma variação de temperatura, o gás tem que receber maior quantidade de calor na transformação a pressão constante, pois uma parte da energia recebida deve ser utilizada na realização do trabalho de expansão, que é nulo nas transformações a volume constante. A razão entre os calores específicos é dada por :
y = coeficiente de Poisson (O valor de y também é uma função da temperatura, mas essa variação é muito menos importante que a variação dos calores específicos em relação a temperatura.)