Aula 3 - Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos
2. Conceitos e Definições
Sistema e Volume de Controle
• Sistema Termodinâmico: região do espaço delimitada
fisicamente por superfícies geométricas arbitrárias reais ou
imaginárias, que podem ser fixas ou móveis. Dentro dos seus
limites, o sistema deverá estar cheio de matéria.
• Arredores: tudo o que é externo ao sistema termodinâmico
• Sistema fechado: composto por uma quantidade de
matéria com massa e identidade fixas; apenas calor e
trabalho podem cruzar a fronteira do sistema.
• Sistema aberto (ou Volume de controle): massa, assim
como calor e trabalho, pode atravessar a superfície de
controle
Peso
(limite real do sistema)
Pistão
Substância
a)-
Fluído
Limite do
sistema
b)-
do sistema
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Ponto de Vista Macroscópico e Microscópico
•
Ponto de vista microscópico:
termodinâmica
estatística. Teoria cinética e mecânica estatística.
Ex.: a pressão que um gás exerce nas paredes de
um recipiente é resultante da mudança na
quantidade de movimento da moléculas quando
estas colidem com as paredes.
•
Ponto de vista macroscópico
: termodinâmica
clássica.
Ex.: a pressão é a força média no tempo, exercida
pelas moléculas, que atua sobre uma certa área e
que pode ser medida com um manômetro.
Obs.:
tal observação macroscópica baseia-se na
hipótese do contínuo.
2
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1
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∆y
ESCOLA
DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
∫ dy = y2 − y1 =
Estado e Propriedades de uma substância
•Estado: é a posição energética em equilíbrio de um sistema
definido por um número determinado de propriedades
independentes.
•Fase: em cada fase (líquida, sólida ou vapor), a substância pode
existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia
termodinâmica, em vários estados.
•Propriedade
termodinâmica: qualquer grandeza que
depende do estado do sistema e é independente do caminho;
matematicamente:
2
∫ dy
= y2 − y1 = ∆y
1
•
Propriedade Intensiva: independente da massa;
ex.: pressão, temperatura, concentração, massa específica,
etc.; notação: letra minúscula (y)
•
Propriedade Extensiva: varia diretamente com a massa; as
propriedades extensivas podem ser acumuladas, ou seja, são
o resultado de uma soma de seus valores nas diferentes
porções de um sistema quando ele está subdividido
ex.: massa, volume total, comprimento, etc.; notação: letra
maiúscula (Y)
Yextensiva =
∑Y
n
i =1
i
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Equilíbrio termodinâmico:
quando um sistema está
em equilíbrio em relação a todas as possíveis
mudanças de estado. O termo
estado
estará sempre
fazendo referência a um estado de equilíbrio, ou seja, a
uma igualdade de forças (equações mecânicas), ou a
um sistema não reagente (equilíbrio químico) ou , ainda,
a uma igualdade de temperatura (equilíbrio térmico).
Alguns exemplos de equilíbrio:
•Térmico/Mecânico: relacionado com temperatura
e pressão;
•Equilíbrio
de fases:
relacionado com a tendência
de não se ter transferência de uma espécie química
de uma fase para outra;
•Equilíbrio
químico:
indica tendência de não
ocorrer reação química.
∀1
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Exemplo:
Um sistema esta subdividido em quatro partes como
mostra a figura. Qual seria uma estimativa razoável do
volume específico do sistema abaixo?
∀1
∀2
1
2
m
∀3
m3
m
∀4
m
4
se os quatro volumes são iguais e os gases contidos em
cada compartimento tem a mesma temperatura e
obedecem a relação:
P ⋅∀ = m ⋅ R ⋅ T
Se retirarmos a separação entre os gases, a pressão
resultante de mistura dos gases será?
p = p1 + p2 + p3 + p4
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Processos e Ciclos
É o resultado de uma sucessão contínua de
estados de equilíbrio de um sistema. Um processo é iniciado num
estado de equilíbrio e termina em outro.
•
Processo:
Se as propriedades descrevem o estado de um sistema apenas
quando ele está em equilíbrio, como podemos descrever os
estados de um sistema durante um processo?
é um processo ideal, onde o
desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal.
•
Processo quase-equilíbrio:
Processos de vaporização de água
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Lista de processos com suas respectivas propriedades que
permanecem constantes:
Propriedade Constante
Nome do Processo
Temperatura
Isotérmico
Pressão
Isobárico
Volume
Isométrico
Entropia
Isoentrópico
Entalpia
Isoentálpico
quando um sistema, em um dado
estado inicial, passa por um certo número de mudanças de
estado e finalmente retorna ao estado inicial; ex.: água circulando
numa instalação termoelétrica
Ciclo termodinâmico:
Obs.: não confundir ciclo termodinâmico com ciclo mecânico
v=
1
ρ
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Volume Específico e Densidade
A densidade,
r
( kg/m3 ), de uma substância é
definida como a massa de uma substância por
unidade de volume. É uma propriedade intensiva,
sendo o inverso do volume específico,
1
v=
ρ



m3 

kg 
v.
A densidade de um sistema pode variar de ponto a
ponto. Uma definição para desidade pode ser dada
por:
ρ=
ρ
lim
δ v →δ v
'
δ m 


δv 
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Pressão
A pressão num ponto de um fluido em repouso é igual
em todas as direções sendo definida como a
componente normal da força específica por unidade
de área:
δFn
p = δLim
A→δA′ δA
Unidades:
• SI, pascal, onde: 1 Pa = 1 N / m2
• Sistema Inglês, psi ou lbf / in2, onde:
Obs.: 1 atm ≅ 1 bar ≅ 100 kPa e 1 atm ≅ 14,5 psi
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Igualdade de Temperatura
Como definir temperatura?
A porta de madeira da entrada da nossa casa deve estar à
mesma temperatura de sua maçaneta de metal; entretanto,
com o toque, a madeira parece estar mais quente e a
maçaneta mais fria.
Para a observação da igualdade de temperatura entre dois
corpos postos em contato, inicialmente com temperaturas
diferentes, podemos:
• avaliar as resistências elétricas
• medir o comprimento de um dos lados de cada bloco
• ler as colunas de mercúrio dos termômetros
Se após um determinado tempo os dois corpos não
apresentarem alterações em qualquer propriedade
mensurável, quando colocados em contato térmico,
dizemos que os dois corpos possuem igualdade de
temperatura
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A Lei zero da Termodinâmica
Quando dois corpos estão em equilíbrio
térmico com um terceiro, os três estão em
equilíbrio térmico entre si.”
“
Esta lei não é deduzida de outras leis e constitui a base
para a medição da temperatura.
• Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, eles
devem compartilhar uma propriedade que indique ou se
relacione com este estado de equilíbrio. Esta
propriedade é chamada de temperatura.
• Sempre que um corpo tiver igualdade de temperatura
com o termômetro, podemos dizer que o corpo
apresenta a temperatura lida no termômetro.
•
A
B
A
C
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Escalas de Temperatura
Normalmente as escalas usam como referência pontos
fixos ou estados térmicos fixos como nas escalas definidas
por Farenheit e Celsius; as temperaturas assim medidas
são conhecidas como temperaturas empíricas (t) :
Pontos Fixos
Ponto de Oxigênio (temperatura de equilíbrio entre
o oxigênio líquido e seu vapor)
Ponto Triplo da Água (temperatura de equilíbrio
entre gelo, água líquida e vapor)
Ponto de vapor (temperatura de equilíbrio entre
água líquida e seu vapor)
Ponto do zinco (temperatura de equilíbrio entre o
zinco líquido e sólido)
Ponto da prata (temperatura de equilíbrio entre a
prata líquida e sólida)
Ponto do ouro (temperatura de equilíbrio entre o
ouro líquido e sólido)
Valor
Numérico
-182,962
0,01
100
419,58
961,93
961,93
A escala é arbitrária. Desta forma uma vez um número
fixado para um estado termométrico arbitrário (0º C ponto
do gelo) e uma vez uma diferença de temperatura e
designada entre dois pontos fixos de referência
º
100 C para T
vapor
– T
gelo),
(Ex:
todo o resto de temperatura
nas escalas de temperatura assim definidas podem ser
determinadas.
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Escalas mais utilizadas
•
SI, escala Celsius (oC)
(Anders Celsius, 1701-1744)
•Escala absoluta: escala Kelvin (K) (Lord Kelvin 18241907)
K =
•
oC
+ 273,15
Sistema Inglês, escala Fahrenheit (oF)
Fahrenheit, 1686-1736)
•Escala absoluta: escala Rankine (R)
R =
oF
+ 459,67
(Gabriel
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Métodos de Medidas de Temperatura
A temperatura de um objeto ou de um fluido não pode
ser medida diretamente.
Normalmente, medidas de temperatura são feitas
medindo-se a mudança de alguma propriedade física
escolhida
que mude proporcionalmente
com a
variação de temperatura.
As propriedades físicas normalmente utilizadas são:
1.
Expansão térmica
2.
Efeitos termoelétricos
3.
Resistência elétrica
4.
Cores de superfície
5.
Radiação térmica
6.
Pontos de fusão, ebulição e congelamento.
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Termômetros de expansão volumétrica
Ex.:
:
termômetro de vidro utilizando mercúrio
como substância termométrica.
isolamento
conduto
Fossa termométrica
Material Condutor
de Calor
termômetro de vidro instalado em fossa termométrica(dedo de luva).
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Termômetros de resistência:
O princípio de operação do termômetro é a
mudança de resistência elétrica com a variação de
temperatura.
a
b
c
d
a
b
Sensor
c
A
B
a
b
c
d
C
arranjos diversos para termômetros de resistência
Sensor
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Pirômetros Termométricos (Termopar):
Efeito descoberto quando dois metais diferentes são unidos e
aquecidos. A força eletromotriz (fem) originada dessas duas
juntas, em duas diferentes fontes de calor é chamada de
Peltier e de efeito Thomson.
É desejável que o termopar produza uma fem grande na sua faixa
de operação e que a relação fem versus temperatura seja linear.
Cromo
40
30
20
]
s
tl
o 10
v
il
i
0
m
[
Cobre
Ferro
m
.
10
e
.f
Alumel
20
30
40
Constantan
Temperatura[°C]
Força eletromotriz gerada para diferentes termopares, relativas ao termopar de platina
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Termopar (cont.). Aplicação no laboratório