Apresentação do PowerPoint
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EME-205 TERMODINÂMICA calor força, movimento • No início, ocupou-se do estudo dos processos que permitiam converter calor em trabalho EME-205 Termodinâmica ramo da Física que tem por objeto de estudo: os processos em que há transferência de energia e/ou transformações de energia em sistemas macroscópicos,em termos de variáveis macroscópicas EME-205 Sistemas macroscópicos → contêm um grande número de partículas constituintes (átomos, moléculas, ...) NA 6,022 10 23 EME-205 nº de Avogadro Grandezas macroscópicas mensuráveis e que servem para caracterizar o sistema. (Ex: temperatura (t), pressão (P), volume (V), magnetização de um íman (M), área superficial de um líquido (S), tensão numa corda (T), etc.) EME-205 Pressão: • força por unidade de área • independente da orientação da superfície • forças de pressão sempre perpendiculares à superfície dF p dA EME-205 Unidades de Pressão No Sistema Internacional de Unidades – SI a unidade de pressão é o Pascal (Pa) N 1 Pascal 1 2 m As unidades inglesas de uso corrente para a pressão são Libraforça por pé quadrado (lbf/ft2) e Libra-força por polegada quadrada (lbf/in2) Obs.: 1 bar 10 Pa 5 EME-205 lbf 1 psi 1 2 in Massa Específica Massa específica é definida como a relação entre massa e volume. A massa específica em um ponto é definida como: m lim V V V kg m3 Volume Específico É o inverso da massa específica m3 v kg EME-205 Temperatura Interpretação microscópica medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas que constituem o sistema. (gases: energia cinética de translação; sólidos: energia cinética de vibração) EME-205 Temperatura Definição operacional a grandeza que se mede com um termômetro. A temperatura é lida no termômetro ao fim de um certo tempo (tempo de relaxação), quando A e B atingirem o equilíbrio térmico. EME-205 Relação entre escalas de temperatura Celsius e Kelvin T (K ) t (ºC ) 273,15 Escala Kelvin: EME-205 Escala Celsius: Formalismo termodinâmico pode ser aplicado aos mais diversos sistemas. Exemplos são: • gás, líquido ou sólido num recipiente; • corda esticada ou barra metálica; • membrana esticada; • circuito eléctrico; • íman num campo magnético. EME-205 Energia Capacidade de produzir um efeito Pode ser acumulada num sistema Pode ser transferida (calor) EME-205 Exemplo: líquido num recipiente Energia potencial gravítica, mgh Energia cinética de rotação das pás Energia interna das moléculas de água EME-205 Sistema termodinâmico Uma certa porção de matéria, que pretendemos estudar, suficientemente extensa para poder ser descrita por parâmetros macroscópicos. EME-205 Vizinhança do sistema Aquilo que é exterior ao sistema e com o qual o sistema pode, eventualmente, trocar energia e/ou matéria. EME-205 Fronteira Superfície fechada, real (uma parede, uma membrana, etc) ou abstracta (imaginada por nós), que separa o sistema da sua vizinhança. EME-205 Exemplo: Gás contido num cilindro com uma parede móvel Vizinhança: ar exterior ao recipiente Parede móvel (êmbolo) + Superfície lateral do cilindro + Sistema: gás num recipiente de parede móvel EME-205 Base do cilindro Fronteira: paredes do recipiente Sistema isolado Não troca energia nem matéria com a sua vizinhança. Sistema fechado Não troca matéria com a sua vizinhança (pode trocar energia). Sistema aberto Troca matéria com a sua vizinhança. Paredes móveis (contrário: fixas) Permitem transferência de energia na forma de trabalho mecânico. Paredes diatérmicas (contrário: adiabáticas) Permitem transferência de energia na forma de calor. Paredes permeáveis (contrário: impermeáveis) Permitem transferência de matéria. EME-205 Sistema Isolado Um sistema é dito isolado quando não há fluxos de massa, calor ou trabalho pela sua fronteira. Isolamento Sistema isolado Vizinhança EME-205 VOLUME DE CONTROLE EME-205 Transformação Variáveis de estado Variáveis de estado P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Estado 1 EME-205 Transformação Estado 2 Estado termodinâmico Condição em que se encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas propriedades. EME-205 Variação ou mudança de estado: ocorre, quando o valor de pelo menos uma propriedade primitiva se altera. EME-205 Estado de equilíbrio termodinâmico Estado termodinâmico caracterizado por um valor uniforme (o mesmo por todo o sistema) e estacionário (não varia com o tempo) das variáveis termodinâmicas. EME-205 Equilíbrio térmico Equilíbrio mecânico Equilíbrio químico EME-205 Valor uniforme da temperatura (contato térmico entre subsistemas) Valor uniforme da pressão (no caso de gases). Valor uniforme das concentrações químicas. Princípio Zero SISTEMA C SISTEMA A SISTEMA B SISTEMA C SISTEMA A SISTEMA B Dois sistemas (A e B) em equilíbrio térmico com um terceiro sistema (C) estão também em equilíbrio térmico um com o outro. Isto é, verifica-se a propriedade transitiva da relação de equilíbrio térmico. A temperatura é a propriedade que é comum a sistemas que se encontram em equilíbrio térmico (mesma classe de equivalência). EME-205 INTENSIVA: temperatura, pressão e massa específica EXTENSIVA: massa e volume total EME-205 Retirada de pesos EME-205 Processo termodinâmico Transformação de um estado de equilíbrio do sistema noutro estado de equilíbrio, por variação das propriedades termodinâmicas do sistema. EME-205 Exemplo: Expansão/compressão de um gás ideal EME-205 Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . P1 V1 T1 U1 Processos P2 V2 T2 U2 Durante a transformação Isotérmico temperatura invariável Isobárico Pressão invariável Isovolumétrico volume constante Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança. EME-205 EME-205 Ciclo: processo termodinâmico cujos estados inicial e final são idênticos. EME-205 EME-205 COMPOSIÇÃO QUÍMICA É A MESMA EM TODAS AS FASES EME-205 * * * * * EME-205 Água (fases - sólida, líquida, e vapor) Mistura de água líquida e vapor dágua Dióxido de Carbono (CO2) Nitrogênio (N2) Misturas homogêneas de gases, desde que não ocorra mudança de fases. ESTADO DE SUBSTÂNCIA PURA COMPRESSÍVEL SIMPLES. EME-205 Definição de Gás * Gás é toda substancia que se encontra no estado gasoso, apresentando grande expansibilidade e compressibilidade EME-205 Gás Perfeito (Gás Ideal) é o que se encontra sob duas condições: 1. Inexistência de Forças Intermoleculares que garantam a coesão de algum modo entre suas partículas, o que impossibilita sua mudança de estado Físico 2. O Volume de suas Partículas ser desprezível em relação ao Volume ocupado pelo espaço entre elas. EME-205 Gás ideal: superfície PvT Cada estado de equilíbrio é representado por um ponto na superfície PvT e cada ponto na superfície representa um estado de equilíbrio possível. EME-205 Processo isocórico Processo isotérmico Processo isobárico Leis de Gay-Lussac: P const.T v const.T (rectas) Lei de Boyle-Mariotte: Pv const. (hipérboles equiláteras) EME-205 EME-205 EME-205 Exemplos 1- Qual a massa de ar contida numa sala de 6m X 10m X 4 m se a pressão é 100 kPa e a temperatura 25ºC ? Admitir que o ar seja um gás perfeito. 2 – Um tanque tem um volume de 0,5 m3 e contém 10 kg de um gás perfeito com peso molecular igual a 24. A temperatura é de 25ºC. Qual é a pressão ? EME-205 EQUILÍBRIO DE FASES VAPORLÍQUIDA-SÓLIDA NUMA SUBSTÂNCIA PURA EME-205 etapa P e T são constantes aumento de Volume EME-205 A pressão está acima da pressão de saturação para a temperatura dada. EME-205 A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada EME-205 As duas fases coexistem nas mesmas pressão e temperatura EME-205 vapor Conceito de título EME-205 A pressão é a pressão de saturação para a temperatura dada EME-205 A temperatura é mais alta que a temperatura de saturação para a pressão dada EME-205 Processo de Mudança de Fase Líquido comprimido – não prestes a evaporar Líquido saturado – prestes a evaporar Mistura saturada de líquido e vapor – duas fases Vapor Saturado – prestes para condensar Vapor Superaquecido – não prestes para condensar EME-205 Linhas de pressão constante EME-205 CONCEITO DE PONTO CRÍTICO Estado de líquido saturado = Estado de vapor saturado Nunca haverá duas fases presente EME-205 Processo Isobárico P = 1 atm T, C 300 o P3 = Psat = 1 atm T3 = Tsat = 100 oC P2 = Psat = 1 atm 100 5 T2 = Tsat = 100 oC 2 20 Mistura Saturada 3 4 P4 = Psat = 1 atm EME-205 1 T4 = Tsat = 100 oC v Processos Isobáricos EME-205 EME-205 Substância Tc (K)(oC) Pc(bar) Ar 133 (-140) 37,7 Butano 425 (+152) 38 Propano 370 (+97) 42,7 CO2 304 (+31) 73,9 Hidrogênio 33,2 (-239,8) 13 CH4 191 (-82) 46,4 N2 126 (-147) 33,9 O2 154 (-119) 50,5 Água 647,3 (+374,3) 220,9 PONTO TRIPLO Curva de Fusão P Região da Fase Sólida Ponto Crítico Região da Fase Líquida Ponto Triplo Curva de Vaporização Região de vapor superaquecido Curva de Sublimação EME-205 CONCEITO DE PONTO TRIPLO Estado no qual as três fases podem coexistir em equilíbrio EME-205 EME-205 1 Bar = 0,1 Megapascal [MPa] Vapor superaquecido - A temperatura é mais alta que a temperatura de saturação para a pressão dada Líquido comprimido - A pressão está acima da pressão de saturação para a temperatura dada. EME-205 Exemplos: 1 - Calcule o volume específico da mistura vapor e líquido, de água a 200ºC e apresentando um título igual a 70%. 2 – Um vaso com 0,4 m3 de volume contém 2,0 kg de uma mistura de água líquida e vapor em equilíbrio a uma pressão de 600 kPa. Calcular a) O volume e a massa do líquido b) O volume e a massa do vapor EME-205 Exercícios 1 – Verificar se a água, em cada um dos estados abaixo, é um líquido comprimido, um vapor superaquecido, ou uma mistura de líquido e vapor saturado: (18 MPa, 0,003 m3/kg); (1 MPa, 150ºC); (200ºC, 0,2 m3/kg); (10 kPa, 10ºC); (130ºC, 200 kPa); (70ºC, 1 m3/kg) EME-205 Exercício proposto Determine a fase, o título (se aplicável) e a propriedade faltante (p ou T) para as seguintes condições da água: a) b) c) d) EME-205 T = 120ºC v = 0,5 m3/kg P = 100 kPa v = 1,6958 m3/kg P = 5,00 MPa v = 0,0010056 m3/kg T = 350 ºC v = 0,00800 m3/kg Interpolação Simples Vamos supor que seja necessário conhecer o volume específico da água à 198 ºC e título 50%. Como a informação diz respeito ao título, a conclusão automática é que estamos lidando com mistura de líquido vapor. Para continuarmos, precisamos das informações sobre os volumes específicos do líquido saturado e do vapor saturado seco naquela temperatura. Entretanto, consultando uma tabela como a abaixo, notamos que temos informações na temperatura de 195 ºC e também à 200 ºC, mas não a 198. Assim, deveremos proceder à uma interpolação linear. EME-205 O primeiro passo é montar a tabela: O segundo passo é fazer a interpolação: 200 195 1,5538 1,3978 0,001156 0,001149 0,12736 0,14105 200 198 1,5538 x 0,001156 y 0,12736 z EME-205 Psat (198º C ) 1,4899 MPa vl (198º C ) 0,001153 m 3 / kg vv (198º C ) 0,13264 m 3 / kg EME-205 Exercício proposto Calcule o volume específico da água para uma temperatura de 350ºC e pressão 400 kPa. Calcule o volume específico da água para uma pressão de 940 kPa, e título igual a 1. Calcule o volume específico da água para uma pressão de 500 kPa e temperatura de 30ºC. EME-205
