- Prof. Dra. Tirzhá Lins Porto Dantas

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos
TAL 7001- Termodinâmica Aplicada à
Engenharia de Alimentos
Profa. Dra. Tirzhá Lins Porto Dantas
Aula 1 - Conteúdo da Aula
• Energia Interna e Entalpia
• Propriedades Termodinâmicas
• Estado Termodinâmico e Função de Estado
• Estado de Equilíbrio
• Primeira Lei da Termodinâmica
• Processo com escoamento estacionário em estado
estacionário
• Processo Reversível
• Processos a Volume e Pressão Constantes
• Capacidade Calorífica
• Conceitos Básicos em Termodinâmica
 Pressão: é a força total exercida sobre uma superfície,
por unidade de área.
 Temperatura: medida do estado de agitação das
moléculas;
 Energia Cinética: energia devido ao movimento e
 Energia Potencial: energia associada a elevação
Energias
Externas!
• Energia Interna, U.
É a energia associada ao movimento e as
interações (inter e intra) moleculares.
 Do ponto de vista prático, a energia interna está
associada a transformação de uma substância em
outra; como ocorrem por exemplo, em reações
químicas, nas misturas de substâncias, em mudanças
de densidade e etc.
Etotal  Eint erna  Eexterna
Ecinética  E potencial
Etotal  Eint erna  Eexterna
Ecinética  E potencial
• Entalpia, H
Definição por utilidade
em que U é a energia interna total, V é o
volume total e P é a pressão absoluta.
• Propriedades Termodinâmicas
• São grandezas que expressam a resistência de uma
substância em produzir mudanças em sua energia
interna, ou em grandezas a ela associada, quando o
sistema é submetido a gradientes de T, P, concentração
e etc.
Ex: Calor específico, Compressibilidade isotérmica e etc.
• Estado Termodinâmico e Função de
estado
 O estado termodinâmico é refletido pelas suas
propriedades termodinâmicas; entre as quais: T, P e
densidade.
 FUNÇÕES
DE
ESTADO:
Propriedades
dependem somente das condições atuais.
que
 O estado termodinâmico da substância pura está definido
quando duas propriedades termodinâmicas são fixadas
 Variáveis Extensivas: dependem do tamanho do sistema
(massa, volume total, entalpia total e etc.)
 Variáveis Intensivas: não depende do tamanho do
sistema (P, T, calor específico, volume molar e etc.).
• Estado de Equilíbrio
• Equilíbrio é uma palavra que denota uma condição
estática, ausência de modificações.
• As características globais do estado de equilíbrio
são:
 Não há variação das propriedades com o tempo;
 O sistema é uniforme, ou composto por subsistemas
uniformes;
 Todos os fluxos (de massa, calor ou trabalho) no interior
do sistema, ou entre o sistema e o meio ambiente, são
nulos e
 A velocidade de todas as reações químicas é nula.
• 1ª LEI DA TERMODINÂMICA.
 Lei da Conservação da Massa
“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma"
em que é a vazão mássica.
• Integrando a Equação no intervalo
m (t 2 )
N t2
 dm    m dt
k
m (t1 )
1º Termo
k 1 t1
2º Termo
 1º Termo:
 2º Termo:
Massa que entra no sistema pela Késima entrada entre t1 e t2
 Assim:
 No estado estacionário
Independe do tempo.
(regime
permanente)→
Equilíbrio:
 Lei da Conservação da Energia
“Energia
não pode ser criada ou destruída. Embora a energia
assuma várias formas, a quantidade total de energia é constante
e, quando energia em uma forma desaparece, ela reaparece
simultaneamente em outra (s) forma(s)”
• Lei da Conservação da Energia:
Lei da Conservação da Energia Mecânica +
Reconhecimento de Q e U como forma de energia
1ª. Lei da Termodinâmica!!!
 Tomemos como um exemplo uma substância
que se encontra dentro de um recipiente com
paredes permeáveis, diatérmicas e móveis.
 Energia Total para a substância por unidade de massa:
em que
é a energia interna por unidade de massa.
 O conteúdo energético da MASSA pode ser variado em virtude de:
•
Adição (ou remoção) de calor do sistema:
, calor total
• Trabalho realizado pelo ou sobre o sistema:
, trabalho total
trabalho de eixo (mecânico)
movimento das fronteiras +
ou
trabalho do
trabalho em virtude do escoamento do fluido.
 A variação da ENERGIA TOTAL será:
 Energia Total para a substância :
em que U é a energia interna total do sistema e
por unidade de massa.
Lei da Conservação da Energia!!!*
é o volume
• No estado estacionário:
 Sistemas abertos (processos com escoamento):
• Na Indústria: processos com escoamento estacionário em estado
estacionário (todas as condições e vazões em todos os pontos ao
longo da trajetória de escoamento são constantes com o tempo).
Fluido escoando em um equipamento em um processo em processo estacionário e
estado estacionário.
• Sistema: 1 unidade de massa de fluido.
– A energia do sistema pode variar nas três formas:
• Sistema: 1 unidade de massa de fluido.
– Considerando de que não há contração e nem expansão de fronteira (não há o
termo trabalho do movimento das fronteiras):
trabalho mecânico
trabalho realizado
SOBRE sistema
(ENTRADA)
trabalho
PELO sistema
(SAÍDA)
trabalho realizado
SOBRE sistema
trabalho realizado
PELO sistema
Assim,
Como:
• Processo reversível X irreversível
• Um processo é reversível quando a direção pode ser revertida em
qualquer ponto por uma variação infinitesimal nas condições
externas.
Hipóteses:
•
pistão desliza sem atrito;
•
pistão e cilindro não absorvem e nem transmitem calor;
•
baixa densidade do gás (o que pode levar a se desprezar os efeitos da gravidade).
.
Inicialmente: EQUILÍBRIO
• Uma vez iniciado este processo dissipativo, nenhuma variação
infinitesimal nas condições externas irá reverter o processo: o
PROCESSO é IRREVERSÍVEL.
• Processo em que a massa é retirada grão a grão, durante este
processo pistão sobe bem devagar a uma taxa muito pequena e
uniforme: o PROCESSO é REVERSÍVEL.
• PROCESSO REVERSÍVEL →IDEAL (representa um LIMITE para
o desempenho de processos reais).
 Um processo reversível:
 não tem atrito;
 nunca está afastado mais do que infinitesimalmente do equilíbrio
(sucessões de estados de equilíbrio) e
 sua direção pode ser revertida em qualquer ponto por uma variação
infinitesimal nas condições externas, causando ao processo um
retrocesso e levando à restauração do estado inicial do sistema e
da sua vizinhança.
 Todos os processos executados com substâncias reais em
intervalos de tempos finitos são acompanhados por efeitos
dissipativos de um tipo ou de outro, e todos são, consequentemente:
IRREVERSÍVEIS
 Para processos mecanicamente reversíveis:
Para processos irreversíveis: o cálculo do trabalho é normalmente
efetuado para processos reversíveis + eficiências = trabalho em
processos reais.
• Processos a volume constante e a
pressão constante.
• 1ª Lei para um processo sem escoamento e mecanicamente
reversível, sem variação de energia cinética e potencial
 Se V constante:
 Se P constante:
ou
ou
• Capacidade Calorífica.

Calor é frequentemente visto em relação aos seus efeitos sobre o
corpo para o qual ou do qual é transferido → corpo possui
CAPACIDADE CALORÍFICA.
DIFICULDADE POIS Q NÃO É FUNÇÃO DE ESTADO!!!
 Capacidade calorífica a V constante:
 Capacidade calorífica a P constante:
Se o processo for a V constante:
Se o processo for a P constante: