Aula 01

EM34F
Termodinâmica A
Prof. Dr. André Damiani Rocha
[email protected]
Aula 01 – Parte II: Introdução
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Introdução à Termodinâmica
Definição de Termodinâmica
 A termodinâmica é a ciência da energia;
 O nome Termodinâmica deriva do grego termo (calor) e
dinâmica (potência). Descreve os primeiros esforços para
converter calor em potência;
 Atualmente, o mesmo nome possui uma interpretação mais
ampla incluindo aspectos de energia e transformações de
energia, incluindo geração de potência, refrigeração e
relações entre as propriedades da matéria.
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Introdução à Termodinâmica
Definição de Termodinâmica
 Uma das lei mais fundamentais da natureza é a conservação
de energia. Ela simplesmente estabelece que durante uma
interação, energia pode mudar de uma forma para outra
porém, a quantidade de energia permanece constante.
 Isto é, a energia não pode ser criada ou destruída.
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Introdução à Termodinâmica
Aplicações da Termodinâmica
 Alguns exemplos são:
o Motores automotivos
o Turbinas à vapor
o Turbinas à gás
o Compressores
o Bombas
o Propulsão de Aeronaves e Foguetes
o Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado
o Sistemas de Arrefecimento
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Introdução à Termodinâmica
Definições e Conceitos
 Sistema Termodinâmico
o O sistema é tudo aquilo que se deseja estudar;
o Pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo
como uma refinaria química inteira;
o Pode-se desejar estudar uma quantidade de matéria contida
em um tanque fechado, de paredes rígidas ou considerar algo
como o escoamento de gás natural em um gasoduto.
o A composição da matéria dentro de um sistema pode ser fixa
ou variar em função de reações químicas ou nucleares.
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Introdução à Termodinâmica
Definições e Conceitos
 Sistema Termodinâmico
o Tudo que é externo ao sistema é denominado meio ou
vizinhança. O sistema é separado da vizinhança pelas
fronteiras do sistema e essas fronteiras podem ser móveis
ou fixas.
o Existem 2 tipos de sistemas:
Vizinhança
Sistema
Sistema fechado
Sistema aberto
Fronteira
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Introdução à Termodinâmica
Definições e Conceitos
 Sistema Termodinâmico
 Massa não cruza a a fronteira do sistema;
 A fronteira pode se movimentar.
Somente energia, na forma de
calor e trabalho, cruza as
fronteiras de um sistema fechado.
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Introdução à Termodinâmica
Sistema fechado
com fronteira móvel
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Introdução à Termodinâmica
Sistema Termodinâmico: Volumes de Controle
 Massa e Energia cruzam a fronteira do
sistema
 A fronteira geralmente não se
movimenta
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Introdução à Termodinâmica
Sistema Termodinâmico: Sistema isolado
Um sistema isolado é aquele onde o calor e o trabalho não
cruzam a fronteira.
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Introdução à Termodinâmica
Propriedades
 Para descrever um sistema e prever seu comportamento é
necessário o conhecimento de suas propriedades e de como
estas propriedades estão relacionadas;
 Uma propriedade é uma característica macroscópica de um
sistema, tal como massa, volume, energia, pressão e
temperatura;
 As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas em
duas classes gerais: Extensivas e Intensivas;
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Introdução à Termodinâmica
Propriedades Extensivas
 Uma propriedade é chamada de extensiva se seu valor para o
sistema como um todo é a soma de seus valores para as partes
as quais o sistema é dividido;
 As propriedades extensivas de um sistema dependem do
tamanho ou extensão do sistema;
 As propriedades extensivas podem variar com o tempo;
 Alguns exemplos: Massa, Volume e Energia;
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Introdução à Termodinâmica
Propriedades Intensivas
 Propriedades intensivas não são aditivas (como no caso de
propriedades extensivas);
 Seus valores são independentes do tamanho ou extensão de
um sistema;
 Podem variar de local para local no interior de um sistema em
qualquer momento ;
 Exemplos: Pressão e Temperatura
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Introdução à Termodinâmica
Estado
 Refere-se à condição de um sistema como descrito por suas
propriedades
Processo
 Quando qualquer uma das propriedades de um sistema é
alterada, ocorre uma mudança de estado;
 Diz-se, então, que o sistema percorreu um processo;
 Um processo é uma transformação de um estado a outro;
 Alguns processos
conhecidos:
Isentrópico, Adiabático e etc;
Isobárico,
Isotérmico,
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Introdução à Termodinâmica
Equilíbrio
 O sistema está em equilíbrio se suas propriedades não mais se
alteram em qualquer ponto do sistema;
 Também é conhecido como “equilíbrio termodinâmico”;
 De uma forma geral, podemos citar 4 tipos de equilíbrio, são eles:
 Térmico: Temperatura não muda com o tempo;
 Mecânico: Pressão não muda com o tempo;
 Químico: Estrutura molecular não muda com o tempo;
 Fase: Composição não muda com o tempo.
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Ciclo Termodinâmico
O ciclo termodinâmico consiste em uma série de processos que
retornam o sistema ao estado inicial.
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Massa Específica ()
 Em uma perspectiva macroscópica, a descrição da matéria é
simplificada quando se considera que ela é uniformemente distribuída
ao longo de uma região;
 A validade dessa idealização é conhecida como hipótese do contínuo;
 Quando as substâncias podem ser tratadas como meios contínuos é
possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas “em um
ponto”;
 Assim, em qualquer instante a massa específica () em um ponto é
definida como,
m
  lim  

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Introdução à Termodinâmica
Volume Específico ()
O volume específico é definido como o inverso da massa
específica,
v
1

Assim como a massa específica, o volume específico é uma
propriedade intensiva e pode variar ponto a ponto.
Líquidos e gases possuim comportamentos diferentes sob
condições de variação de pressão e temperatura. Veja as tabelas
a seguir com alguns exemplos:
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Introdução à Termodinâmica
Base Molar
 Em certas aplicações é conveniente expremir propriedades
como o volume específico em uma base molar, em vez de uma
base mássica;
 O mol corresponde a uma quantidade de uma determinada
substância numericamente igual ao seu peso molecular;
kmol – quilomol
lbmol – libra-mol
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Introdução à Termodinâmica
Base Molar
 Em cada caso será usado,
m
n
M
 O número de quilomols (n), de uma substância é obtido dividindose a massa (m), em kg, pelo peso molecular (M), em kg/kmol ;
 Analogamente, o número de libra-mols (n) é obtido dividindo-se a
massa(m), em lb, pelo peso molecular (M), em lb/lbmol.
 Lembre-se que: o número de moléculas em um grama-mol (número
de Avogrado) é 6,022x1023.
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Introdução à Termodinâmica
Propriedades Físicas de Alguns Líquidos
Liquido
Temperatura
[oC]
Massa específica
()
[kg/m3]
Viscosidade
dinâmica (  )
[Pa.s]
Álcool Etílico
20
789
1,19E-3
Gasolina
15,6
680
3,1E-4
Glicerina
20
1260
1,50
Mercúrio
20
13600
1,57E-3
Água do Mar
15,6
1030
1,20E-3
Água
15,6
999
1,12E-3
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Introdução à Termodinâmica
Propriedades Físicas de Alguns Gases
Temperatura
[oC]
Massa específica
()
[kg/m3]
Viscosidade
dinâmica (  )
[Pa.s]
Ar (Padrão)
15
1,23
1,79E-5
Dióxido de
Carbono
20
1,83
1,47E-5
Hélio
20
1,66E-1
1,94E-5
Hidrogênio
20
8,38E-2
8,84E-6
Gás Natural
20
6,67E-1
1,10E-5
Oxigênio
20
1,33
2,04E-5
Gás
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Introdução à Termodinâmica
Peso Específico (  )
é definida como o peso da substância contida numa unidade de
volume.
  g
Definições & Conceitos
Pressão (P)
 Os manômetros e os barômetros medem a pressão em temos
de um comprimento de uma coluna de líquido, tal como mercúrio,
a água ou o óleo;
Manômetro
p  patm  gL
Definições & Conceitos
Pressão (P)
 Os manômetros e os barômetros medem a pressão em temos
de um comprimento de uma coluna de líquido, tal como mercúrio,
a água ou o óleo;
Barômetro
patm  pvapor  m gL
Definições & Conceitos
Pressão (P)
 Manômetro tipo tubo de Bourdon
Definições & Conceitos
 Pressão (Atmosférica, Absoluta e Manométrica)
Força normal exercida sobre uma área
Definições & Conceitos
 Sistema de Unidades
Unidade de Pressão no S.I. é Pascal
1 Pa = 1N/m2
1 kPa = 1000N/m2
1 bar = 100000N/m2
1 MPa = 1.000.000N/m2
Definições & Conceitos
 Sistema Britânico (Bristh System)
lbf/in2 ou psi, usualmente com o sufixo “a”
para pressão “absoluta (absolute)” e
com o sufixo “g” para pressão
“manométrica (gage)”.
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Psia – Absolute Pressure
Psig – Gage Pressure
100
150
0
psig
Definições & Conceitos
 Pressão Atmosférica
1atm = 14.696psia = 101.325 Pa = 760mmHg
P(abs) = P(man) + Patm
Definições & Conceitos
 Prefixo das Unidades SI
Fator
Prefixo
Símbolo
Fator
Prefixo
Símbolo
1012
tera
T
10-2
centi
v
109
giga
G
10-3
mili
m
106
mega
M
10-6
micro

103
quilo
k
10-9
nano
n
102
hecto
h
10-12
pico
P
Definições & Conceitos
 Temperatura
Definições & Conceitos
 Temperatura - Relações
T(oR) = T(oF) + 459,67
T(K) = T(oC) + 273,15