Termodinâmica da Atmosfera Aca/IAG/USP

Termodinâmica da Atmosfera
Aca/IAG/USP
Capítulo 1
Revisão de Conceitos Básicos
São conceitos de interesse para o curso:
• Mudanças de fase da água na atmosfera
• Transformações de energia (também conhecido como Energética)
Exemplo (muito simplificado): Parcela de ar em ascensão
Liberação de uma quantidade de calor (Q) por
parcelas de ar em ascensão. Experimentos em
laboratório mostram que:
=
onde L é o calor latente de condensação e mp é
a massa de vapor d’água condensada na
processo.
OBS.:
a) Calor latente de vaporização/condensação a
0 oC:
L = 2.50 x 106 J kg-1
b) Calor latente de vaporização/condensação a
100 oC:
L = 2.25 x 106 J kg-1
Conceitos básicos de interesse:
• Importância do processo:
⇒∆
1.1 Esquema de transformações de H2O na atmosfera
VAPORIZAÇÃO
FUSÃO
Gelo
(fase sólida)
Água Líquida
(fase líquida)
Vapor
(fase gasosa)
CONDENSAÇÃO
SOLIDIFICAÇÃO
SUBLIMAÇÃO
Conceitos básicos
1.1.1 Diagrama de fases de uma substância
Conceitos básicos
1.2 Conceito de SISTEMA
Em termodinâmica da atmosfera, o sistema é qualquer porção da
atmosfera composta por:
• “Ar seco” (inerte)
Mistura de gases inertes (i.e., que não mudam de fase, como N2, O2, CO2, O3, ...)
o Por não mudam de fase entende-se: não passam por transformações químicas
• H2O em suas 3 fases
- vapor d’água
- água líquida
- gelo
EM RESUMO: a atmosfera é considerada composta por 2 constituintes:
ar seco + água
Conceitos básicos
Definição de sistema:
Toda porção de matéria a qual se deseja estudar propriedades
termodinâmicas, como seu estado atual, evolução no tempo, etc.
OBS.:
MEIO AMBIENTE:
Todo material com o qual um sistema pode interagir é dito meio
externo ou meio ambiente.
Conceitos básicos
Os sistema podem ser:
• ABERTOS
Trocam matéria e energia com o meio ambiente e estão sujeitos a efeitos de
mistura (Exemplo: entranhamento)
• FECHADOS
NÃO trocam matéria, mas podem trocar energia com o meio ambiente
(Exemplos: condução de calor, radiação) ----- balão de festa
• ISOLADOS
Não trocam matéria ou qualquer espécie de energia com o meio
Conceitos básicos
1.3 Definições de termos e conceitos adicionais
• PROPRIEDADES
O que descreve um sistema fisicamente em um dado instante; as propriedades são
expressas em termos de variáveis físicas
• VARIÁVEL TERMODINÂMICA
Toda grandeza física que corresponde a uma propriedade macroscópica do
sistemas considerado
Exemplos:
Volume (V)
Temperatura absoluta (T)
Massa (m)
Pressão (p)
Conceitos básicos
PARA SISTEMAS FECHADOS:
A massa e a composição química definem o sistema.
As demais propriedade (ou variáveis) definem o ESTADO do sistema.
• ESTADO
(em linguagem popular, equivale à questão: como está?)
Para se determinar o estado (termodinâmico) de um sistema, a experiência
(laboratório) mostra que é necessário fornecer um certo número de variáveis
independentes, a partir das quais as variáveis dependentes podem ser calculadas.
Matematicamente:
⇒
=
Exemplo:
Dados x e y, então z = f(x,y).
Conceitos básicos
• PROPRIEDADES EXTENSIVAS
São aquelas variáveis físicas que dependem da massa do sistema.
Exemplos:
m
V
C (capacidade térmica)
As variáveis extensivas se referem ao sistema como um todo.
• PROPRIEDADES INTENSIVAS
São aquelas variáveis físicas que NÃO dependem da massa do sistema.
Exemplos:
T (por exemplo, a T pode variar dentro de uma sala de aula (sistema), entre a porta da sala e a
lousa)
p
c (calor específico: c = C/m)
Conceitos básicos
• EXEMPLO:
Unindo-se dois sistemas termodinâmicos idênticos a fim de se formar
um sistema único em escala duas vezes maior, todas as grandezas
termodinâmicas extensivas (exemplo: volume e entropia), terão seus
respectivos valores dobrados no novo sistema termodinâmico
estabelecido. Já os valores das respectivas grandezas intensivas no novo
sistema (exemplo: pressão e temperatura), serão idênticos aos
respectivos valores antes inferidos em cada um dos dois sistemas
gêmeos iniciais.
Conceitos básicos
OBS.: Quando uma variável intensiva tem o mesmo valor por todo o
sistema, ela é chamada UNIFORME
• PROPRIEDADES ESPECÍFICAS
São então as propriedades extensivas quando referidas a uma unidade de massa
(ou de volume)
OBS.:
Letras maiúsculas são usadas para propriedades extensivas (como V para volume e
U para energia interna).
Letras minúsculas são usadas para propriedades específicas.
Exemplos:
Conceitos básicos
Para volume:
=α
í
Para capacidade térmica:
=
í
Para energia interna:
=
Exceções: T (intensiva); m (extensiva)
[letras consagradas pelo uso ao longo dos séculos]
Conceitos básicos
OBS.: O sistemas de unidades usado neste curso é o Sistemas
Internacional (SI): kg, K, s.
• CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA
 Sistema Homogêneo
Se as variáveis intensivas têm o mesmo valor para qualquer parte do sistema:
Z=mz
Em qualquer porção (de
mesma massa m) do
sistema, encontra-se Z = m z
Z=mz
Conceitos básicos
• CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA
 Sistema Heterogêneo
Exemplo:
Apresenta várias fases concomitantemente:
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Cada fase é um sistema
homogêneo. Então:
=
gotas + ar úmido + gelo
líquido ↔ gasoso
Conceitos básicos
• CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA
OBSERVAÇÃO:
 Sistema Inomogêneo (atmosfera)
 Pode acontecer das propriedades extensivas variarem continuamente de um ponto a outro
do sistema.
Conceitos básicos
• EQUILÍBRIO
 O estado de um sistema colocado em um dado ambiente pode não permanecer
constante com o tempo. Se variar, diz-se que o sistema não está em equilíbrio. A
independência no tempo é uma condição necessária para se definir equilíbrio.
• VARIÁVEIS DE ESTADO
 São aquelas que descrevem o estado de um sistema.
OBS.: Em sistemas homogêneos, duas variáveis são independentes. Todas as
demais propriedades dependerão do estado definido por estas duas variáveis.
As variáveis independentes podem ser escolhidas entre pressão, volume e
temperatura (p, V, T).