Capítulo 1 e 2
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Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.1 INTRODUÇÃO Termodinâmica: Ciência que estuda a forma como os corpos armazenam ou trocam energia (calor e trabalho) entre si. CONCEITOS FUNDAMENTAIS Sistema: o que quer que se encontre numa dada região do espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira). Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que podem influenciar o comportamento ou condição do sistema. (podem ser isolados do sistema). Universo (termodinâmico): união sistema-vizinhança. A condição de um sistema varia, em geral, no decurso do tempo. Num dado instante a condição de um sistema é definida pelas suas propriedades. Sistema isolado: O que não tem qualquer interacção com a vizinhança: não troca com esta massa (matéria) nem energia. Sistema fechado: o que não troca massa com a vizinhança, mas pode trocar energia. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.2 Sistema aberto: o que pode trocar massa e energia com o exterior. Propriedade: qualquer característica quantificável de um sistema e cujo valor num dado instante é o resultado da realização, nesse instante, de uma operação, teste ou observação efectuada sobre o sistema (volume, energia, pressão, temperatura) O valor das propriedades não depende da história, i.e do processo. Grandezas que não são propriedades: fluxos mássico e de energia, trabalho e calor. Estado Condição de um sistema descrito pelas suas propriedades. As propriedades não são todas independentes. Um estado é caracterizado por um sub-conjunto de propriedades. As outras propriedades são definidas a partir do referido sub-conjunto Azoto T=25 ºC Postulado de estado p = 105 Pa O estado de um sistema simples e compressível é definido por duas propriedades intensivas independentes. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.3 Denomina-se sistema simples e compressível se não existirem efeitos eléctricos, magnéticos, gravíticos, de movimento e de tensão superficial Variação ou mudança de estado: ocorre, quando o valor de pelo menos uma propriedade primitiva se altera. Nota: não confundir mudança de estado com transição de fase. Caminho: conjunto completo de estados assumidos por um sistema durante uma variação de estado. Processo: termo que designa a(s) transformação(ões) (variações de estado) que ocorrem entre dois estados de um sistema. Fica definido pelos estados inicial e final, pelo caminho e, pelos fenómenos ocorridos na fronteira Um sistema diz-se estar num estado estacionário se o valor das suas propriedades permanecer inalterado no tempo. Ciclo: processo termodinâmico cujos estados inicial e final são idênticos. A variação de qualquer propriedade, num ciclo, é nula. A variação de uma propriedade fica determinada pelos estados inicial e final de um processo. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.4 Se X for uma propriedade tem-se, portanto x ciclo 0 x 12 X2 X1 (independe nte do caminho) Exemplos: Vapor de uma central, circuito de arrefecimento de um automóvel, motor de um automóvel. Nem todas as propriedades de um sistema podem variar independentemente umas das outras; se do conjunto de propriedades se extrair um conjunto completo de propriedades qualquer outra propriedade Y se pode exprimir como função unívoca das propriedades do referido conjunto, i.e., Se (X1 .......... Xn) é um conjunto completo e se Y é outra propriedade então Y=f(X1 .......... Xn) Equação de Estado Fase: Refere-se ao estado de agregação da matéria que constitui o sistema. Uma dada porção de matéria existe numa só fase (fase sólida, líquida ou gasosa) Possui composição química e estrutura física homogénea; em certas condições, Pode haver coexistência de fases. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 1- Conceitos Fundamentais Substância pura: Substância uniforme e invariável. com composição 2.5 química Equilíbrio: Um sistema diz-se em equilíbrio se, depois de isolada do exterior, o valor das suas propriedades não se alterar com o tempo. Pressão e temperaturas uniformes em todo o sistema Os processos ocorrem entre estados de equilíbrio. Equilíbrio Termodinâm ico Equilíbrio Mecânico Equilíbrio Térmico Equilíbrio de Fase Equilíbrio Químico Processo de quasi-equílibrio Começa a um infinitésimo do estado de equilíbrio e todos os estados intermédios podem ser considerados de equilíbrio. Processos reais tem sempre situações de não equilíbrio Exemplo: diferenças finitas de temperatura e de pressão Vantagens dos processos de quasi-equilíbrio: Podem desenvolver-se modelos termodinâmicos simples e obter respostas qualitativas sobre os sistemas reais. Permitem estabelecer relações entre as propriedades dos sistemas. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.6 Energia: O conceito de energia surge inicialmente com o carácter restrito de energia mecânica (cinética e potencial). Com o desenvolvimento da termodinâmica, no Séc. XIX, alarga-se aos fenómenos térmicos. Em sentido termodinâmico, a energia é a resultante macroscópica dos modos de energia microscópicos possuídos pelas partículas constituintes da matéria (energias de translação, rotação, vibração e electrónica). Transferência de energia: A característica mais fundamental associada à energia é a sua conservação, o que implica que a energia de um corpo só possa variar recebendo energia ou concedendo energia a outros corpos. Trabalho e calor são termos usados para designar modos ou formas de transferência de energia. Trabalho: O trabalho, como se verá, pode assumir diversas formas, a mais simples das quais corresponde à definição já conhecida “produto de uma força pelo deslocamento do seu ponto de aplicação”. Calor: Fala-se em transferência ou em transmissão de valor quando a energia é transferida em virtude de uma diferença de temperatura. O calor constitui uma forma de transferência de energia “mais desorganizada” ou “desordenada” do que o trabalho. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.7 Propriedades intensivas e extensivas Extensiva: dependem do tamanho ou extensão do sistema, o seu valor para o sistema é a soma das partes em que foi dividido. As propriedades extensivas são aditivas. O seu valor depende da massa do sistema. Exemplos: massa, volume, energia Intensiva: O seu valor não é aditivo, é independente do tamanho do sistema, pode variar de ponto para ponto, é função da posição e do tempo. Exemplos:Temperatura, pressão, propriedades específicas As propriedades intensivas só se definem em sistemas, em equilíbrio, i.e., quando o seu valor é o mesmo em todos os pontos do sistema. As propriedades intensivas por unidade de massa designam-se por específicas. Há propriedades que não são extensivas nem intensivas (V2). As propriedades extensivas podem ser transferidas entre sistemas termodinâmicos. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) 1 Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2 Volume: 2m3 Volume: 4m3 Massa: 1Kg Massa: 4Kg T = 20 ºC T = 20 ºC 2.8 Massa total = 1+4 = 5 Kg Volume total = 2+4 = 6 m3 v1= 2/1= 2 m3/kg v2= 4/4= 1 m3/kg v = 6/5= 1,2 m3/kg T = 20 ºC Propriedade conservativa: se a soma dos valores assumidos pela propriedade no sistema e na vizinhança for uma constante, quaisquer que sejam os estados do sistema e da vizinhança. Exemplo: massa total, carga eléctrica total, etc Processo termodinâmico O valor de uma propriedade termodinâmica num determinado estado não depende do processo seguido; e a sua variação também não, dependendo apenas do estado inicial e final. Quando a evolução desde o estado inicial até ao estado final constitui um séria continua de estados de equilíbrio, o processo é reversível (por exemplo, um qualquer processo ideal, sem atritos). Os processos reais são irreversíveis. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.9 Unidades de massa, comprimento, tempo e força Unidade: quantidade especificada de matéria utilizada para comparação, em relação à qual outra quantidade da mesma espécie é medida. Exemplo: metro – comprimento; tempo - segundo, minuto, hora As grandezas físicas estão relacionadas entre si. Um pequeno número de grandezas é suficiente para conceber e medir as outras – dimensões primárias. Dimensões primárias: L, M, t, T, i As restantes dimensões designam-se por secundárias Dimensões secundárias: Área, Volume, Força, Energia, Potência, etc. Sistema Internacional – SI: Unidades primárias: L – metro (m)M – Kilograma (kg) T – segundo (s) Unidades secundárias: t – Kelvin (K) Força – Newton (N), Energia – Joule (J), Potência – Watt (W) Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.10 Mole: quantidade de matéria que contem um número de partículas elementares (átomos, moléculas, iões) igual ao número de átomos contidos em 12 gramas de Carbono-12. Kilomole – quantidade de matéria de uma dada substância em Kilogramas numericamente igual ao peso molecular. Número de Kilomoles m massa - kg M Peso molecular - kg/kmole Volume específico - v. A matéria está distribuída de modo contínuo – hipótese de continuum m ρ lim ML-3 kg/m3 massa específica V V' v V’ é o menor volume onde a matéria pode ser considerada contínua pode variar com a posição no espaço ou com tempo. ρconstante m ρ dV m ρ dV ρV Volume específico – v; volume molar 1 L3M 1 m3 kg ρ v v M L3M1 M kmole -1 m3 kg kg/kmole m3 kmole v Termodinâmica Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Pressão - p. 2.11 A Fluído em repouso - Força normal à área A - Fnormal Fnormal onde A' é a área no ponto AA' A p lim A pressão pode variar de ponto para ponto. A pressão atmosférica varia com a altitude A pressão nos oceanos varia com a profundidade Unidades da pressão: SI – Pa = N/m2 Outras unidades: kPa = 103 Pa; MPa = 106 Pa; bar = 105 Pa 1 atmosfera = 1,01325 x 105 Pa; 1 psi = 1lbf/in2 = 6895 Pa A pressão pode ser relativa ou absoluta Pressão absoluta é a pressão medida em relação ao vácuo absoluto. Pressão relativa é medida em relação à pressão atmosférica local. prelativo> 0 pabsolut o patmosférico prelativo< 0 pabsoluto A pressão relativa pode ser negativa ou positiva A pressão absoluta é sempre positiva Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.12 Medição de pressão: Manómetros ou transdutores de pressão Coluna de líquido – p-patm =gh Manómetros Bourdon Magnehelic Sensores piezoeléctricos – alguns sólidos geram uma tensão eléctrica por efeito da pressão. Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.13 Temperatura – T É uma propriedade intensiva. Propriedade de sistema que determina se o sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas. Equilíbrio térmico – igualdade de temperaturas. T1 >T2 Postos em contacto : V1 V2 , T1 T2 resistividade 1 resistividade 2 As alterações das propriedades terminam – os corpos estão em equilíbrio térmico. A propriedade utilizada para definir o equilíbrio térmico é a temperatura Lei zero da Termodinâmica Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio entre si. Para ver se dois corpos estão à mesma temperatura não é necessário pô-los em contacto entre si, basta verificar se estão em equilíbrio com um terceiro - termómetro Termómetro - corpo em que pelo menos uma propriedades mensurável varia com a temperatura. das A essa propriedade e substância chamam-se termométricas Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica Tipos de termómetro 2.14 Termómetro de líquido em tubo capilar Termómetro de gás Termopar Sensores de resistência eléctrica. Pirómetros Estabelecer uma escala de temperaturas consiste em definir um conjunto de regras que permitam atribuir um mesmo número a todos os estados de equilíbrio térmico e números diferentes a estados que não estão em equilíbrio térmico. Uma vez estabelecida uma escala de temperatura a condição necessária e suficiente de equilíbrio térmico é a igualdade das suas temperaturas. Se um dado sistema em equilíbrio termodinâmico, é constituído por várias partes em comunicação através de paredes diatérmicas, a temperatura toma o mesmo valor em cada uma das partes; caso contrário não haveria equilíbrio mútuo e, portanto, não haveria equilíbrio termodinâmico. Ponto Fixo: é a temperatura de um estado de equilíbrio termodinâmico escolhido Ponto do gelo: temperatura de gelo puro em equilíbrio com água saturada de ar à pressão de uma atmosfera. Ponto de Vapor: temperatura de água pura em equilíbrio com o seu vapor à pressão de uma atmosfera. Ponto triplo da água: temperatura de água pura em equilíbrio com gelo e com o seu vapor. (escala Kelvin = 273,16 K) Termodinâmica Eng. Ambiente 1º Ano(Nocturno) Capítulo 2- Conceitos e Definições introdutórias em Termodinâmica 2.15 Escalas de temperatura Escala Celsius. Água em fusão a 1 atmosfera: T= 0ºC Água em ebulição a 1 atmosfera: T = 100 ºC 1ºC = 1 K; a escala tem a mesma unidade. 0º C = 273,15 K T (ºC) = T (K) - 273,15 Escalas Rankine e Fahrenheit. 1 R = 1,8 K T (R) = 1,8 T (K). A escala Rankine é uma escala absoluta. Escalas Fahrenheit. Água em fusão a 1 atmosfera: T= 32 ºF Água em ebulição a 1 atmosfera: T = 212 ºF 1ºC = 1,8 F. T (ºF) = 1,8 T (ºC) + 32 ; T (ºC) = 5/9 [T (ºF) –32] T (F) = T (R) –459,67
