- Prof. Dra. Tirzhá Lins Porto Dantas
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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:
