Termodinamica, Entalpia, Entropia, Carnot - Cefetsp

Termodinamica, Entalpia, Entropia, Carnot - Cefetsp

(Parte 1 de 2)

Termodinâmica Aplicada

Disciplina: Termodinâmica

Professor: Caruso

Termodinâmica Aplicada

Motores de automóveis Turbinas

Bombas e Compressores

Usinas Térmicas (nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte térmica)

Sistemas de propulsão para aviões e foguetes

Termodinâmica Aplicada

Sistemas de combustão

Sistemas criogênicos, separação de gases e liquefação

Aquecimento, ventilação e ar condicionado

Refrigeração (por compressão de vapor, absorção ou adsorção)

Bombas de calor

Termodinâmica Aplicada

Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica

Sistemas energéticos alternativos – Células de combustível

– Dispositivos termoelétricos e termo iônicos

– Conversores magneto hidrodinâmicos (MHD)

Termodinâmica Aplicada

Sistemas Geotérmicos

– Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das marés)

– Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica)

Aplicações biomédicas – Sistemas de suporte à vida

– Órgãos artificiais

Termodinâmica Aplicada

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

Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor.

– Está implícito na definição que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema.

– O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura.

Termodinâmica Aplicada

Condução

– Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura

Termodinâmica Aplicada

Convecção

– Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção.

Termodinâmica Aplicada

Radiação

– Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas

Termodinâmica Aplicada

A Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia

A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho

Termodinâmica Aplicada

Propriedade difícil de se definir

– Inicialmente foi definida a partir da sensibilidade do Homem

– Pode-se distinguir que o corpo 1 está mais quente (ou frio) que o corpo 2 e este mais quente que o corpo 3, etc.

– A quantificação da diferença somente é possível através de instrumentos (termômetros)

Termodinâmica Aplicada

Assim como Massa, Comprimento e

Tempo, é difícil dar uma definição de Temperatura em termos de conceitos independentes ou aceitos como primários.

No entanto é possível se chegar a um entendimento objetivo da IGUALDADE de temperaturas usando o fato de que quando a temperatura de um corpo muda, outras propriedades também mudam.

Termodinâmica Aplicada

A medida de uma dessas propriedades, como volume, resistência elétrica, pode ser associada a uma dada temperatura. O dispositivo que efetua essa medida é o termômetro.

Se tomarmos dois blocos de cobre, um mais quente que o outro e colocarmos os dois em contato, haverá interação entre eles e o bloco mais quente irá esfriar e o mais frio irá se aquecer. Quando as interações cessarem as quantidades mensuráveis pararão de variar e os blocos estarão em equilíbrio térmico e portanto à mesma temperatura.

Termodinâmica Aplicada

Lei Zero da Termodinâmica

– Quando dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo eles estarão também em equilíbrio entre si.

Termodinâmica Aplicada

São dispositivos que empregam uma substância ("termométrica") que possui pelo menos uma propriedade variável com a temperatura.

– de líquido em bulbo (volume): muito preciso;

– de gás a volume constante (hidrogênio ou hélio) (pressão): padrão internacional para determinadas faixas de temperatura;

– termopares (fem - força eletromotriz);

– termistores (resistência elétrica);

– pirômetros (radiação térmica).

Termodinâmica Aplicada

Escala Kelvin (SI)

– Estabelecido por acordo internacional - facilmente reprodutível.

– Ponto de gelo (equilíbrio entre gelo, água e ar a 1 atmosfera): 273,15 K.

– Ponto de vapor (equilíbrio entre a água líquida e seu vapor a 1 atm): 373,15K.

– Intervalo entre ponto de gelo e ponto de vapor = 100 K.

Termodinâmica Aplicada

Termodinâmica Aplicada

Exercício 1

– Embora pareça impossível atingir-se o zero absoluto, temperaturas tão baixas quanto 0,000000002 K foram alcançadas em laboratórios.

– Isso seria suficiente para todos os fins práticos?

– Por quê os físicos deveriam (como o fazem) tentar obter temperaturas ainda mais baixas?

Termodinâmica Aplicada

Exercício 1 – Solução

Porque a temperaturas muito baixas os materiais exibem propriedades não observadas a temperaturas usuais. A supercondutividade é um exemplo dessas propriedades

A motivação desse tipo de pesquisa está no fato de se poder encontrar novos fenômenos nas propriedades físicas dos materiais

– A tentativa de se reduzir os limites físicos conduz ao desenvolvimento de instrumentos mais sofisticados

Termodinâmica Aplicada

– Um termopar é formado por dois metais diferentes, conectados em dois pontos, de modo que uma pequena tensão é produzida quando as duas juntas estão em temperaturas diferentes.

– Num termopar de ferro-constantan, com uma junção mantida a 0 oC, a tensão varia linearmente de 0 a 28 mV à medida que a outra temperatura varia entre 0 e 510 OC. Determinar a temperatura da junta variável quando a tensão medida for 10,2mV

Exercício 2

Termodinâmica Aplicada

Exercício 2 – Solução

– Como a tensão “V” de saída varia linearmente com a temperatura “T”, podemos escrever:

– Os pontos fornecidos permitem determinar as constantes:

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Exercício 3

A que temperatura os seguintes pares de escalas serão numericamente iguais:

– Fahrenheit e Celsius

– Fahrenheit e Kelvin

– Celsius e Kelvin

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Exercício 3 – Solução

– Fahrenheit e Celsius

TF = - 40 – Fahrenheit e Kelvin

– Celsius e Kelvin

• Como as duas escalas se relacionam linearmente conforme a lei TC = T – 273,15, não há temperatura em que as leituras sejam numericamente iguais

Termodinâmica Aplicada ****

Termodinâmica Aplicada

Definições

Sistema

– Identifica o objeto da análise

• Corpo livre • Tanque de paredes rígidas

• Tubulação onde um fluido escoa

• Refinaria inteira

Vizinhança – Tudo o que é externo ao sistema

Fronteira

– Lugar real ou imaginário que separa o Sistema de sua Vizinhança

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Definições

Sistema fechado

– Há uma quantidade fixa de matéria

– A massa sob análise não entra, nem sai

Volume de controle

– Região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa

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Definições

Propriedade

– É qualquer característica mensurável da substância estudada

Propriedade intensiva

– É a que independe da quantidade de massa em estudo

• Ex.: temperatura, pressão, densidade

Propriedade extensiva

– É a que depende da quantidade de massa em estudo • Ex.: Entalpia, energia interna, volume, entropia

– Obs: Uma propriedade extensiva vira intensiva, quando expressa por unidade de massa

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Fase

– Uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea

• A água está na fase líquida tal como ela sai de uma torneira. Ela está na fase sólida tal como se apresenta em cubos de gelo e na fase vapor (gasosa), tal como sai da válvula de uma panela de pressão

Estado

– É a condição termodinâmica de um sistema. Em cada fase podemos ter uma infinidade de estados

• Em cada fase a substância pode existir submetida a diversos valores de pressão, temperatura, volume, energia interna, entalpia e etc.

• O conjunto de duas ou três dessas propriedades define o estado

Definições

Termodinâmica Aplicada

Definições

Processo

– é o caminho definido pela sucessão de estados através do quais a substância passa ao sair de um estado inicial e chegar a um estado final.

– Quando muda uma ou mais propriedade de uma substância, dizemos que ocorreu uma mudança de estado.

– Um sistema executa um ciclo quando sai de um determinado estado inicial, passa por diversos outros estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial.

– OBS: Uma propriedade de uma substância tem valor único em cada estado que se encontra e independe do caminho que percorreu até se encontrar naquele estado

Termodinâmica Aplicada

Definições

Trabalho

– Força produzindo o deslocamento de um corpo, sendo que o deslocamento acontece da direção da força dVpWAdXdV

AdXpWApF FdXW

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Definições

Energia interna (U)

– É a soma de todas as formas de energia microscópicas tais como energia cinética e potencial das moléculas que compõe um sistema

– Onde: m massa u energia interna por unidade de massa

Termodinâmica Aplicada

Definições

– Ao analisar certos processos termodinâmicos, freqüentemente encontramos a combinação da propriedade Energia Interna (U) com o produto (PV) que também é uma propriedade energética da substância

– Esta combinação de propriedades foi denominada de Entalpia

Termodinâmica Aplicada

– É a medida do grau de desordem das moléculas de uma substância

– O grau de desordem está relacionado com os movimentos de translação, rotação e vibração dos átomos e moléculas das substâncias

Conseqüência – Sgás > Slíquido > Ssólido

Definições

Termodinâmica Aplicada

Definições

– Propriedade termodinâmica intensiva definida pela razão entre a massa de vapor pela massa de mistura vaporlíquido quando uma substância está em estado de saturação

– Líquido saturado: x = 0

– Vapor saturado: x = 1 v T v L v v m mx

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Exercício 4 Dado que m mx

Termodinâmica Aplicada

Exercício 4 – Solução vxvx1m vmm vmvm vmvmv vmvmvm V m mx

Termodinâmica Aplicada

Propriedades específicas

– u, h, s, uV, uL, hV, hL, sV e sL são obtidas das tabelas de propriedades termodinâmicas das substâncias que constituem o fluido operante do sistema térmico em estudo.

Definições

Tabelas

Termodinâmica Aplicada

Exercício 5

Determinar o volume específico do vapor saturado a 100 oF, tendo-se um título de 70%, no SI

Termodinâmica Aplicada

Exercício 6

Determinar: temperatura de saturação, volume específico, entalpia, energia interna e a entropia do vapor saturado a 3,75 bar, tendo-se um título de 100%

Termodinâmica Aplicada

– Note-se que a tabela não traz os valores procurados (3,75 bar), daí a necessidade de se interpolar os valores:

A interpolação é conseguida considerando-se (f0 e f1 são os valores tabulados consecutivos):

x fp x1 f1

Exercício 6 – Solução I

1 fppff x xxp

:setem

:fazendo

Termodinâmica Aplicada

Determinação da temperatura de saturação:

fp = 141,7 oC Determinação do valores restantes:

Exercício 6 – Solução I

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1o Princípio

Princípio da conservação da energia

“A variação da energia interna de um sistema é dada pela diferença entre o calor trocado (Q) com o meio externo e o trabalho ( ) realizado.”

Termodinâmica Aplicada

Transformação isobárica

Nas expansões gasosas o volume do gás aumenta, ele próprio empurra o êmbolo ou pistão, realizando trabalho positivo.

Nas compressões gasosas o volume do gás diminui, o meio externo empurra o êmbolo ou pistão contra o gás, realizando trabalho negativo.

Termodinâmica Aplicada

Isométrica, isocórica, isovolumétrica

– = p . V = 0 J , pois o volume é constante

– U = 0 joules , pois a temperatura é constante

Termodinâmica Aplicada

Cíclica

– A pressão varia, então só é possível calcular o trabalho através da área do gráfico (pressão x volume).

– Se o ciclo for horário: trabalho positivo; trabalho realizado pelo gás (o volume aumenta).

– Se o ciclo for anti-horário: trabalho negativo; trabalho realizado sobre o gás (o volume diminui).

– U = 0 J: pois o ciclo retorna para o mesmo ponto de partida, ou seja, para a mesma temperatura.

Termodinâmica Aplicada •

Termodinâmica Aplicada

2° Princípio da Termodinâmica

Lord Kelvin enunciou o 2°

Princípio da Termodinâmica, também conhecido como Princípio da Degradação da Energia

“É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos, retire calor de uma fonte quente e o transforme integralmente em trabalho”.

Termodinâmica Aplicada

Termodinâmica Aplicada

Termodinâmica Aplicada

Primeiro automóvel Locomobile 1900 motor a vapor de dois cilindros

Termodinâmica Aplicada Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.

Termodinâmica Aplicada Motor de 4 tempos : A maioria dos automóveis.

Termodinâmica Aplicada Motor de dois tempos

Termodinâmica Aplicada

No início do século XlX , Sandi Carnot preocupava-se com o rendimento das máquinas térmicas, em sua obra “Reflexões sobre a força motriz do fogo” afirmava que o rendimento de uma máquina térmica era função única das temperaturas das fontes frias e quente.

O ciclo para a obtenção do máximo rendimento de uma máquina térmica proposto por Carnot, é constituído de duas transformações isotérmicas, intercaladas com duas transformações adiabáticas.

Ciclo de Carnot

Termodinâmica Aplicada

Em seus estudos, Carnot demonstrou que as quantidades de calor trocadas pelas fontes e o meio externo são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas ( em Kelvin ) das fontes. Toda máquina que puder operar obedecendo o ciclo de Carnot terá rendimento maior que qualquer outra que esteja operando entre as mesmas fontes, porém nunca igual a 100 %.

Ciclo de Carnot

Termodinâmica Aplicada

• São máquinas térmicas cujo funcionamento consiste em retirar calor da fonte fria (congelador) e rejeitá-lo à fonte quente ( meio ambiente ).

Tal dispositivo não contraria o enunciado da espontaneidade do fluxo de calor enunciado por Clausius, pois a passagem não é espontânea, ocorrendo à custa de um trabalho realizador por um compressor elétrico.

Geladeira

Termodinâmica Aplicada

É um fato observado que, através do

Universo, que a energia tende a ser dissipada de tal modo que a energia total utilizável se torna cada vez mais desordenada e mais difícil de captar e utilizar.

À medida que ocorrem os processos naturais, apesar da a energia total se conservar, ocorre uma diminuição na possibilidade de se obter energia útil. Ou seja, a energia utilizável degrada-se para uma forma menos nobre de energia, a energia de agitação molecular (energia térmica).

Degradação da energia - entropia

Termodinâmica Aplicada

A energia de agitação molecular é considerada uma energia pouco nobre, pois é desordenada ou desorganizada.

Sendo assim, a evolução do

Universo leva a um aumento na desordem, ou seja, os processos naturais tendem a aumentar a desordem no Universo.

Degradação da energia - entropia

Termodinâmica Aplicada

Em 1860, Clausius criou o conceito de entropia ( palavra de origem grega que significa “mudança de forma” ) visando caracterizar essa tendência natural de evolução do Universo.

O fato de a entropia do Universo aumentar continuamente, leva alguns autores a sugerir que o Universo caminha para uma espécie de morte pelo calor, um estado de entropia máxima quando toda energia existente não seria utilizável, pois estaria sob a forma de energia de agitação molecular (energia térmica).

Degradação da energia - entropia

Termodinâmica Aplicada

Exemplo de Entropia:

– Quando conduzimos um automóvel a energia armazenada na gasolina é convertida em calor por combustão e, depois, em energia mecânica, no motor. A energia mecânica, ordenada, assim produzida, dá origem ao movimento controlado e ordenado do carro.

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