Aula 02 : EM-524 Capítulo 2 : Definições e Conceitos

Aula 02 : EM-524
Capítulo 2 : Definições e
Conceitos Termodinâmicos
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Termodinâmica Clássica;
Sistema Termodinâmico;
Propriedades Termodinâmicas;
As propriedades termodinâmicas pressão, volume e temperatura;
Mudanças de estado;
Equilíbrio termodinâmico;
Processos reversíveis;
Calor;
Trabalho;
1. Termodinâmica Clássica
• Termodinâmica estatística : abordagem microscópica ou
molecular; utiliza uma pequena quantia de substância
para o estudo e tenta descrever o comportamento de
cada molécula;
• Abordagem macroscópica : utiliza um número muito
grande de moléculas de tal forma que os valores médios
das propriedades podem ser definidos para descrever o
comportamento de uma substância; os fluidos são
tratados como um contínuo;
• Iremos usar a abordagem macroscópica, entretanto a
abordagem microscópica será utilizada para a
explicação de um fenômeno físico particular.
2. Sistema Termodinâmico (1)
• Definido como a quantidade de massa escolhido para a análise
termodinâmica;
• O sistema é separado da vizinhança pela fronteira;
• Temos uma quantidade fixa de massa dentro do sistema;
• Fronteira pode ser fixa ou se movimentar no espaço;
• “Escolha” da posição da fronteira pode simplificar a análise;
• Apenas energia que cruza a fronteira do sistema : calor e/ou
trabalho;
2. Sistema Termodinâmico (2)
• Quando há entradas / saídas de massa a
análise termodinâmica deve ser realizada
considerando um volume de controle;
• Sistema isolado : fronteira escolhida de tal
modo que não ocorre transferência de
energia com a vizinhança;
• Sistema homogêneo : massa distribuída
uniformemente ao longo do volume do
sistema, se a massa não está distribuída
uniformemente o sistema é dito
heterogêneo;
3. Propriedades Termodinâmicas
• Propriedade termodinâmica pode ser definido como sendo uma
característica observável de uma substância;
• As propriedades termodinâmicas são divididas em duas categorias:
• Propriedades extensivas : dependem da quantidade de massa do
sistema (ex : volume);
• Propriedades intensivas : não dependem da quantidade de massa
do sistema (ex : Pressão e Temperatura);
• Estado termodinâmico de um sistema é a sua condição como
descrito pelas suas características físicas, isto é, suas
propriedades; o estado pode ser determinado quando as
propriedades independentes para aquele sistema forem
especificadas;
4. As propriedades termodinâmicas
pressão, volume e temperatura (1)
• Pressão : em meio fluido é a força exercida por unidade de área
normal a fronteira (P = F / A);
• Pressão é positiva quando dirigida para fora da fronteira;
• Pressão é sempre a mesma em qualquer ponto de um sistema
fluido em equilíbrio;
• A propriedade termodinâmica pressão é uma pressão absoluta;
Manômetros indicam pressão manométrica / efetiva (diferença entre
a pressão do sistema e a do ambiente);
• P = Pm + Pambiente, ou
• Pabs = Pefetiva + Patm
• Quando pressão manométrica for negativa, indica que o sistema
está em vácuo;
4. As propriedades termodinâmicas
pressão, volume e temperatura (2)
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Volume : propriedade extensiva;
volume específico v = V/m : (propriedade intensiva);
densidade (ρ = 1 / v);
Volume especifico e mais utilizado em termodinâmica;
Densidade é mais utilizado em mecânica dos fluidos e
transferência de calor;
Temperatura : medida através de um termômetro;
Lei zero da termodinâmica: quando quaisquer dois
corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro
corpo então eles estão em equilíbrio térmico entre sí;
T (K) = (t)oC + 273,15 ;
Ponto de ebulição da água : 100oC na Patm=101,3 kPa;
Notar que uma diferença de temperatura em ambas as
escalas é numericamente igual;
5. Mudança de Estado
• Sistema executa um processo quando muda de um estado para
outro;
• Os estados intermediários entre os estados inicial e final definem o
caminho desse processo;
• Exemplo: mudança de pressão no pneu de 0,4 MPa para 0,1 MPa
(processo isotérmico), considerando a massa de ar como sendo o
sistema;
• Uma série de processos pode ser executado, de tal forma que o
sistema retorna para o estado inicial. Esta série de processos é
chamado de ciclo termodinâmico;
6. Equilíbrio termodinâmico (1)
• Um sistema é dito em equilíbrio termodinâmico quando é
incapaz de uma troca espontânea de estado, mesmo
quando submetido a uma pequena ou grande perturbação;
• Equilíbrio termodinâmico requer que o sistema esteja em
equilíbrio térmico, mecânico e químico;
• Equilíbrio térmico: temperatura uniforme;
• Equilíbrio mecânico: pressão uniforme;
• Equilíbrio químico: sistema é incapaz de mudança
espontânea de composição;
• Exemplo: uma mistura hidrogênio e oxigênio podem
constituir um sistema, mas este sistema não está em
equilíbrio termodinâmico pois é capaz de uma mudança de
estado se for submetido a uma faísca;
6. Equilíbrio termodinâmico (2)
• Processo quase-estático : pressupõe que o sistema esteja
em completo equilíbrio termodinâmico, assim o caminho do
processo pode ser mostrado em qualquer diagrama
formado por propriedades termodinâmicas, uma vez que o
sistema é assumido estar em equilíbrio e as suas
propriedades estão definidas;
• Processos lentos : processos quase-estáticos, ou seja
desvios do equilíbrio termodinâmico são pequenos;
• Processos rápidos : podem se desviar do equilíbrio; podem
estar em equilíbrio apenas nos estados inicial e final, mas o
caminho do processo não pode ser mostrado em um
diagrama formado por propriedades termodinâmicas, por
que suas propriedades não podem ser definidas quando o
sistema não está em equilíbrio. Por exemplo: i) fornecendo
calor em uma fronteira do sistema a temperatura pode não
estar em completo equilíbrio e ii) o movimento de uma
fronteira do sistema pode provocar perturbações na
pressão do sistema;
7. Processos reversíveis
• Se um processo puder ser revertido completamente em todos os
detalhes, seguindo exatamente o mesmo caminho originalmente
percorrido, então diz-se que o processo é reversível (nenhuma
evidência na vizinhança ou no sistema indica que o processo tenha
ocorrido);
• Condição necessária, mas não suficiente : processo quase-estático;
• Se processo for muito rápido os estados intermediários não estarão
em equilíbrio termodinâmico e o processo não será reversível;
• Processos reversíveis : não existem na realidade mas é útil para
apresentar um caso limite;
• Casos reais x casos ideais permitem uma medida de eficiência;
• Fatores de irreversibilidade : atrito, rápida expansão / compressão,
outros estudados no assunto 2a lei da termodinâmica;
8. Calor (1)
• Energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura e que
não está associada com transferência de massa;
• 1o : Um sistema ou um volume de controle não possui calor, mas a
energia é identificada como calor apenas quando esta cruza a
fronteira ou superfície de controle; Calor não pode ser armazenado
e deve ser convertido para alguma outra forma de energia depois
de cruzar a fronteira;
• 2o : Transferência de energia devido ao transporte de massa não é
calor (fluxo que cruza a fronteira do sistema);
• 3o : potencial que induz a troca de calor deve ser a diferença de
temperatura;
• Calor não é energia armazenada ou possuída pelo sistema portanto
não é uma propriedade (propriedade = característica observável),
os estados 1 e 2 não possuem uma quantidade de calor;
• Calor : depende do caminho (diferencial inexata);
8. Calor (2)
• Calor será positivo se energia for adicionada ao sistema
(1Q2 = 100 kJ);
• Calor será negativo se energia for retirado do sistema
(1Q2 = -100 kJ);
• Processo em que não ocorre troca de calor é chamado
adiabático (1Q2 = 0);
• Taxa de troca de calor : kJ/s = kW;
• Taxa de troca de calor por unidade de massa : kJ/kg;
• Troca de calor : convecção, condução e radiação;
• Convecção : envolve o escoamento de um fluido,
entretanto este fluido escoa paralelo a superfície (não
cruza a superfície de controle por onde a troca de calor
está ocorrendo) – troca de calor independente de
qualquer fluxo de massa através da superfície de
controle;
9. Trabalho
• Definido como forma de energia em trânsito não associada com
transferência de massa, e devido a uma diferença de potencial que
não seja temperatura;
• Trabalho : força x deslocamento;
• Trabalho não é algo armazenado ou possuído pelo sistema portanto
não é uma propriedade (característica observável);
• Trabalho é positivo quando é produzido pelo sistema (energia que
deixa o sistema);
• Trabalho é negativo quando é realizado sobre o sistema (energia
acrescentada ao sistema);
• Taxa de transferência de energia como trabalho : kJ/s = kW,
comumente chamado de potência;
• Unidade de trabalho = unidade de calor;
Trabalho Mecânico
•
•
Trabalho mecânico:
δ W = F.dS = P.A.dS = P.dV;
Para integrar a equação acima a pressão na
fronteira deve ser igual a pressão do sistema
(equilíbrio), portanto o processo deve ser
quase-estático.
2
W 2 = ∫ P.dV
1
1
•
•
Se a pressão permanecer cte durante o
processo 1-2, pode-se integrar a equação de
imediato; Normalmente alguma relação
funcional entre P e V é necessária;
Quando se calcula o trabalho mecânico
durante um processo reversível, um
diagrama P x V mostrando o caminho do
processo é útil, a área sombreada =
2
W 2 = ∫ P.dV
1
1
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Figura ilustra que o trabalho é função do
caminho;
Figura permite comparar processos;
Outros tipos de trabalho
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Trabalho elétrico;
Trabalho para torcionar um eixo;
Trabalho magnético;
Trabalho associado a uma compressão de mola;
Para se verificar se qualquer tipo de trabalho está
presente deve-se verificar a fronteira do sistema. Por
exemplo i) se existir uma força e um deslocamento da
fronteira então o trabalho mecânico está presente, ii) se
houver condutores elétricos pode haver trabalho elétrico,
etc.
Trabalho Irreversível
• As equações deste capítulo utilizadas para calcular a magnitude do
trabalho servem apenas para processos reversíveis;
• O trabalho realizado sobre o processo de compressão de um gás
em um dispositivo tipo pistão-cilindro deve ser calculado de acordo
com a integral P.dV se o processo for reversível, mas se o processo
for irreversível o trabalho realizado será maior do que para o caso
reversível e não será facilmente calculado;
• Trabalho devido as forças de atrito é sempre irreversível;
• Trabalho de pás em um gás tomando o sistema como sendo o gás
é sempre irreversível, ou seja o trabalho realizado pelas pás sobre
um gás não pode ser revertido (gás devolva a energia e faça as pás
se movimentarem).
• A magnitude do trabalho não pode ser calculado pela integral P.dV.
Na verdade o valor da integral é zero, isto indica que não há
trabalho reversível, ou seja todo o trabalho é irreversível;
Sugestão de Leitura
• Capítulo 2 do livro texto;