Aula 1. Conceitos Básicos

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TERMODINÂMICA
INTRODUÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS
Profa. Me. Danielle Cardoso
[email protected]
www.profadanielle.com.br
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
Conceitos básicos.
Propriedade de substâncias Puras.
Calor e trabalho.
Primeira Lei da Termodinâmica.
Análise da energia dos sistemas
fechados
Segunda Lei da Termodinâmica
Entropia
Irreversibilidade e Disponibilidade
Ciclos de motores e Refrigeração
Misturas de Gases
Exercícios e Correção
Relações Termodinâmicas
ü Van WILEN, G.J.; SONNTAG, R.E. & BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica, Edgar Blücher,
2003.
ü ÇENGEL & BOLES. Termodinâmica. 5. ed. São Paulo, MacGraw-Hill, 2006.
ü MORAN, Michael J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 6. ed. Rio de
Janeiro, RJ: LTC, 2009. xi, 800 p.
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𝑴𝒇 = 𝑷𝟏×𝟎, 𝟒 + 𝑷𝟐×𝟎, 𝟒 + (𝑻𝑫𝑬×𝟎,𝟐)
MF≥7 aprovado
5 ≥MF <7 Exame
MF<5 Reprovado
Exame
𝑵𝑭 = 𝑴𝒇 + 𝑬𝒙𝒂𝒎𝒆
NF≥5 Aprovado
NF<5 Reprovado
Datas
P1:05/04/2017
P2:07/06/2017
TDE: 30/05/2017
OBS. IMPORTANTES
Não é permitido a entrega do TDE antes da data!!!
Após a Data o TDE terá valor máx. de 1 ponto.(Prazo
máximo: 2 dias após a data).
Não aceito trabalho por email.
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ü Termodinâmica: estuda as relações entre as transferências de
energia para um sistema e as mudança s em suas propriedades
(temperatura, pressão, volume, etc.).
ü É um ramo da física e também uma ciência da engenharia. O
interesse na engenharia é estudar os sistemas e como estes
interagem com o meio.
ü O objetivo da engenharia é obter projetos otimizados, com melhor
desempenho e eficiência, além de menor impacto ambiental.
ü Principio
de
conservação
da
Energia:
Durante uma interação, a energia pode mudar de forma
para outra, porém a quantidade total de energia é
constante.
ü Energia não pode ser criada ou destruída.
ü Primeira Lei da Termodinâmica: é uma expressão do
princípio de conservação da energia. A Primeira Lei
afirma que a energia é uma propriedade termodinâmica.
ü Segunda Lei da Termodinâmica: Afirma que a energia
tem qualidade assim como quantidade e os processos
ocorrem na direção de diminuir a qualidade da energia;
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ü A termodinâmica envolve o armazenamento, a transferência e a
transformação de energia
ü A termodinâmica é aplicada durante o projeto das usinas, dos motores de
aviões e de automóveis além dos processos industriais
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ü Os cientistas egípcios e gregos pensavam que o calor era um fluído
(eles o chamavam de flogisto)
ü Sadi Carnot é considerado o "pai da termodinâmica" por seu trabalho
sobre a equivalência de trabalho e calor
ü A sustentabilidade, especialmente o projeto e a implementação de
fontes de energias alternativas, depende da termodinâmica
ü Massa (m), comprimento (L), tempo (t) e temperatura (T) são
selecionadas como primárias ou dimensões fundamentais;
ü Velocidade (V), Energia (E), volume (v) e outras são definidas em
função das dimensões primárias e são chamadas de dimensões
secundárias, ou derivadas.
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SI (Sistema Inter. de Unid.)
(Sistema Inglês de Unidades)
Quantidade
Unidade
Símbolo
Unidade
Símbolo
massa
quilograma
kg
libra-massa
lb
comprimento
metro
m
pé
ft
tempo
segundo
s
segundo
s
força
newton (=1 kg.m/s²)
N
libra-força (= 32,1740
lb.ft/s²)
lbf
1 J = 1 N.m
1 kJ = 1000 N.m
1 Btu = 1,0551 kJ
1 kg = 2,2046 lb → 1 lb = 0,4536 kg
1 m = 3,2808 ft → 1 ft = 0,3048 m
1 ft3 = 0,028317 m3 → 1 m3 = 35,315 ft3
1 lbf = 4,4482 N → 1 N = 0,22481 lbf
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ü
É uma massa fixa que ocupa um espaço (o espaço pode ou não mudar de
volume ou forma), que desejamos estudas , podendo ser tão simple como um
corpo livre ou complexo como uma refinaria química inteira;
ü
Vizinhança : tudo o que é externo ao sistema é considerado parte das
vizinhaças. O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteira,
que pode ser real ou imaginária, fixa ou móvel.
ü
O sistema pode interagir com sua vizinhança por meio de troca de
energia, matéria, etc.
Fronteira
Vizinhança
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ü Dois tipos básicos de sistemas serão estudados, são sistema
fechado e volume de controle.
ü O termo massa de controle é usado algumas vezes no lugar de
sistema fechado, e o termo sistema aberto é usado como alternativa
para volume de controle
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ü É aquele que não troca massa com a sua vizinhança , mas pode
trocar energia.
ü
É aquele que pode trocar tanto massa como energia com a sua
vizinhança
Volume de
controle
Massa
Energia
Massa e energia atravessando o
volume de controle
Sistema fechado
(massa de controle)
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Volume de controle
(sistema aberto)
Qualquer característica de um sistema é chamada de propriedades, tal
como massa, volume, energia, pressão e temperatura. As propriedade
podem ser dividas em dois grupos:
ü Extensivas dependem do tamanho ou extensão do sistema;
ü Intensivas Independente da massa de um sistema;
Propriedades extensivas
Propriedades intensivas
Massa
Temperatura
volume
Pressão
Energia
Densidade
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A Densidade é definida como massa por unidade de volume, que
pode ser calculada por meio da equação abaixo.
ρ (densidade) =
m(massa) " kg %
→$ 3'
V (volume) # m &
O inverso da densidade é o volume específico v, definido como
volume por unidade de massa, ou seja,
V(volume) 1 ⎡ m3 ⎤
ν esp (volume.específico) =
= →⎢ ⎥
m(massa) ρ ⎣ kg ⎦
ü Refere-se à condição de um sistema como descritos por suas
propriedades;
ü Em determinados estados todas as propriedades de um sistema
têm valores fixos;
ü Se apenas uma propiedades mudar, o estado será diferente.
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Termodinâmica trata de estados de equilíbrio:
ü Equilíbrio: em um estado de equilíbrio não há desiquilibrio de
potenciais dentro de um Sistema:
ü Equilíbrio térmico: se a temperatura é a mesma em todo o
sistema;
ü Equilíbrio mecânico: se não há mudança de pressão em todo o
sistema com o tempo.
ü Equilíbrio de fases: se o Sistema envolve duas fases e quando a
massa de cada fase alcança um nível equilíbrio e este não muda;
ü Equilíbrio químico: se a composição química do Sistema não
muda com o tempo, isto é, não ocorrem reações químicas.
üNúmero de propriedades requerido para fixar um estado de um
sistema é dado pelo seguinte postulado:
"Estado uma substância simples compressível é completamente especificado
por duas propriedades intensivas independentes.
üUm Sistema é simples compressível se não envolve efeitos elétricos,
magnéticos, gravitacionais, movimento e tensão superficial.
üO Postulado de estado requer que duas propriedades sejam
independentes para que o estado seja definido. Duas propriedades
são independentes se uma puder ser variada enquanto a outra é
mantida constante, por exemplo, a temperatura e o volume
específico.
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O estado do nitrogênio é fixado por duas propriedades intensivas
independentes
ü
Toda mudança pela qual um sistema passa de um estado de equilibrio
para outro é chamda de PROCESSO.
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Processo
2
Processo quase-estático ou quaseequilíbrio: quando um processo ocorre de
tal maneira que o Sistema permanece
infinitesimalmente próximo ao estado de
equilíbrio durante todo o processo.
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ü Diagrama de processos termodinâmicos com uso de propriedades
termodinâmicas como coordenadas são muito usuais para visualizar
processos.
ü As propriedades mais comumente utilizadas como coordenadas são
temperatura (T), pressão (P), volume (V) (ou volume específico
(vesp)).
ü O prefixo iso é quase sempre usado para designar um processo
onde uma propriedade particular permanece constante.
ü Processo isotérmico: um processo que a temperatura permanece
constante.
ü Processo isobárico: um processo que a pressão permanece
constante.
ü Processo isocórico (isométrico): um processo que o volume
específico permanece constante
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Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se
inicia e termina em um mesmo estado
4 à 5 tempo 3
TEMPO
3 à 4 tempo 3
2 à 3 tempo 2
5 à 2 tempo 4
0 à 2 tempo 1
2 à 0 tempo 4
Se nenhuma propriedade termodinâmica muda com a variação do tempo,
o sistema está em regime permanente. O oposto de permanente seria
não-permanente ou transiente.
Inúmeros equipamentos de engenharia operam por longos períodos de
tempo sob estas condições e são classificados como equipamentos em
regime permanente.
Condições
de
regime
permanente
podem ser aproximadas
para
equipamentos que operam de forma continua como turbinas, bombas,
caldeiras, condensadores e trocadores de calor, entre outros.
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Durante um process o em regime permanente, as
propriedades de um fluido no volum e de controle
podem mudar com a posição mas não com o tempo.
ü
Sob condições de regime permanente, a
massa e a energia em um volume de
controle permanecem constantes.
A lei zero da termodinâmica declara que quando dois corpos te igualdade
de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura
entre si.
ü
Substituindo o terceiro corpo por um termômetro, a lei zero pode ser
reescrita como dois corpos estão em equilíbrio térmico se ambos
estiver a mesma leitura de temperatura, mesmo que não estejam em
contato.
Dois corpos em um invólucro isolado atingem o equilíbrio
térmico quando são colocados em contato
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Kelvin (K) (SI)
Converter Celsius para Kelvin
𝑻(K) =T(°C) + 273,15
212
32,02
32,0
-459,67
671,67
491,69
491,67
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
Zero absoluto
°F
0,00
0,00
0,01
100,0
°R
-273,15
Pto solidificação
H2O
273,16
Pto de vapor
Pto triplo H2O
°C
373,15
K
0,00
Fahrenheit (°F):
Converter Celsius para Fahrenheit
𝑻(°𝐅) =1,8xT(°C)+32
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
273,15
Rankine (R):
Converter Fahrenheit para Rankine
𝑻(°R) =𝑻(°F) +459,67
Pressão: é definida como uma força normal exercida por um fluido
por unidade de área.
ü
P(pressão) =
F( força)
A(área)
Unidades de Pressão
1 Pascal = 1 N/m²
1 KPa = 10³Pa
1 Pa=10-3 kPa
1bar=100 kPa
1 bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 101325 Pa
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1. Um recipiente c om v olume interno de 1m 3, c ontém 0,12m 3 de granito, 0,15m 3 de areia e
0,2m 3 de água líquida a 25°C. O r estante do volume i nterno é ocupado por ar que
apresenta massa es pecífica de 1,15k g/m 3. Determine o volume específico médio e a
massa específica média da mistura do reci piente. Dados
ρ granito= 2750kg/m 3;
ρ areia=1500kg/m 3 ; ρ água=997kg/m 3 ; ρ ar=1,15kg/m 3 (Resp.: 1,325.10-3 m 3/kg; 755 kg/m 3)
2. Um tanque plástic o de 3 k g que tem um volume de 0,2 m 3. É enc hido c om água no
estado líquído. Qual é a mass a total, s abendo que a densidade da água é de 1000kg/m 3.
(
Resp.:203kg)
3. Determine a massa do ar c ontido em uma s ala c ujas as dimensões s ão 6mx6mx 8m.
Suponha que a densidade do ar seja de 1,16kg/m 3 .(Resp.:334,1kg)
4. Um cilindro de aç o, c om mass a igual a 2kg, contém 4 litros de água líquida a 25°C e 200
kPa. Determine a massa total e o volume do sistema . Faç a uma lista que apresente
duas propriedades extensivas e três intensivas. Dados: densi dade do aço é 7820 e da
água 997 kg/m 3(Resp.:5,988 kg; 0,004256 m 3)
5.
Uma maça apr esenta mass a e vol ume iguais a 80 g e 100 cm 3 quando está num
refrigerador a 8°C. Qual é a m assa e o vol ume es pec ífica da maça? Faç a uma lista que
apresente duas propriedades ex tensiv as e três intensivas da maça. (Resp.: 800 k g/m 3 ;
0,00125m 3/kg)
6. Converta as s eguintes temperaturas de °C para °F: (a) 21°C, (b)-40°C, (c) 500°C,
(d)0°C, (e)100°C e (f) 273,15°C. Depois converta cada temperatura para K.
7. A queima de gás natural com ar res ulta em produtos gasos os a 1985°C. Ex presse esta
temperatura em K, °R e °F.
8. Um tanque apr esenta duas partições separadas por uma mem brana. A partição A
contém 1 k g de ar e apres enta v olume igual a 0,5 m 3. O v olume da partição B é 0,75 m 3
e o ar contido nesta partição possui massa es pecífic a igual a 0,8 k g/m 3. A membrana é
rompida e o ar atinge um estado uniforme. Determine a m assa específica do ar no final
do processo.( Resp.: 1,28 kg/m 3 )
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9. Um tanque de aço, com massa igual a 15 k g, armaz ena 300L de gas olina que
apresenta massa específica de 800 kg/m 3. Qual é a massa total?.(Resp.: 255 kg).
10. Uma lata de refrigerante à temperatura ambiente é coloc ada em um refrigerador.
Você modelaria a lata de refrigerante como um sistema fec hado ou aberto?
Explique.
11. A temperatur a c orporal de um a pessoa s audáv el é de 37 °C. Quanto ;e isso em
kelvin? (resp.:310,15K).
12. Considere dois sistemas fechados A e B. O sistema A c ontém 3000kJ de energi a
térmica a 20°C, enquanto o sistem a B contém 200kJ de energia térmica a 50°C.
Agora os sistemas são c olocados em contato. Determine a direção da transferênci a
de calor entre os dois sistemas.
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