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Notas de Aula / Fenômenos de Transportes / Parte1 : Termodinâmica Prof. Jorge M. Moraes 1

1. Termodinâmica

Os princípios básicos das ciências térmicas estão incluídos na Termodinâmica, Mecânica dos Fluídos e Transferência de Calor.

Termodinâmica (algumas definições):

a) é a ciência da energia e da entropia; b) é a ciência que trata do calor e do trabalho, e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho; c) ciência que se preocupa com o estudo das transformações da energia e o relacionamento entre as várias grandezas físicas de uma substância afetadas por aquelas transformações energéticas.

A base da termodinâmica, como a de outras ciências é a observação experimental.

Mecânica dos Fluídos: estudo do comportamento dos fluídos em repouso ou em movimento.

Transferência de Calor: é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura.

Exemplos a serem ilustrados em aula : ciclo motor (pág. 247, Van Wylen et al.), ciclo de refrigeração (pág. 283, Van Wylen et al.)

*****Energia: conceito de difícil definição, tecnicamente pode ser entendido como : “capacidade de realizar trabalho” ou ainda “capacidade de realizações”.

1 .1. Conceitos e definições

Sistema termodinâmico: quantidade de massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida para o estudo. Os limites (ou fronteiras) do sistema podem ser fixos ou móveis e o tudo o mais externo é chamado vizinhança ou exterior. Calor e trabalho podem cruzar a fronteira do sistema.

Q (calor)

W (trabalho) fronteira do Sistema fronteira do sistema sistema gá s W (trabalho)Q (calor)

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Volume de controle : é um volume arbitrário do espaço no qual pode haver fluxo de massa, calor e trabalho.

Propriedade : quantidade observável (quantificável) da substância. - extensiva : proporcional à massa (volume, energia, etc.)

- intensiva : independe da massa (temperatura, pressão, etc.)

- específica : é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Ex.: volume específico = Volume/Massa (do sistema)

Fase : quantidade de matéria totalmente homogênea

Estado : diferentes propriedades (temperatura, pressão, vol.específico, etc.) em que a substância pode estar em cada fase

- isotérmico : temperatura constante

Processo : caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa. E podem ser : - isobárico : pressão constante

- isométrico : volume constante

- isoentálpico: entalpia constante

- adiabático : sem transferência de calor

Desenho embolo :

admissão descarga trabalho W motorr calor Q volume de controle superfície de controle compressor

Q (calor)

W (trabalho) fronteira do Sistema

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O processo pode ser também :

- reversível : é o processo que pode retornar ao seu estado original simplesmente invertendo o caminho, ou a sequência de estados aos quais ele foi submetido, sem deixar marcas nem no sistema nem na vizinhança.

- Irreversível : processo onde ocorrem alterações provocadas por diferença finita de potencial, e portanto não pode ser revertido de forma expontânea. Todos os fenômenos reais observáveis no universo físico apresentam esta característica.

Ciclo : um sistema em um dado estado inicial, passa por certo número de mudanças de estado ou processos e finalmente retorna ao estado inicial (no final do ciclo todas as propriedades tem o mesmo valor inicial.

- ciclo termodinâmico: quando o fluido de trabalho percorre um ciclo dentro do motor. Ex : ciclo motor ou refrigerador

- ciclo mecânico: quando o fluido de trabalho não percorre um ciclo. Ex. : motor de combustão – o ar e o combustível queimados e transformados nos produtos de combustão são descarregados pela atmosfera.

1.2. Unidades de massa, comprimento, tempo e força.

Essas grandezas estão relacionadas com a 2a lei de Newton: F = m a Onde: F – força; m – massa; a – aceleração

Se m= 1kg e a=1m/s2Se m=10 kg e g=9,81 m/s2
F=1 kgm/s2 = 1 NP=98,1 kgm/s2 = 98,1 N

No Sistema Internacional (SI): Distinção entre massa e peso:

m F

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Massa – é a propriedade de um corpo que é a medida da sua inércia ou resistência à uma mudança no movimento. E’ também uma medida da quantidade de substância.

Peso – é a força com a qual um corpo é atraído na direção da terra pela gravidade.

1.2.1. Sistemas de Unidade

1.2.1.1. Sistema Intenacional SI : unidades básicas

Grandeza Definição básica Unidade SI Outras unidades usuais Comprimento metro [m] milímetro[m];kilómetro[km] Tempo segundos[s] horas[h];minutos [min]

Massa quantidade da substância kilogramas [kg] N.s2/m

Força ou Peso“puxa” ou “empurra”

um corpo Newton [N] kg.m/s2

Pressão Força/área [N/m2] ou Pascal [Pa] kilopascal [kPa]; bar

Energia Força x distancia N.m ou Joule [J] Kg.m2/s2 Potência Energia/tempo N.m/s ou J/s Watt [W]; kW Volume (Comprimento)3 m3 litro[L] Área (Comprimento)2 m2 mm2 Vazão Volume/tempo m3/s L/s ; L/min Fluxo de massa Massa/tempo kg/s kg/h Densidade Massa/volume kg/m3 Ns2/m4 Peso específico Peso/volume N/m3 kg/m2.s2

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