termodinamica1

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EM 313 - TERMODINÂMICA

GRADUAÇÃO

Texto: Prof. Dr. José Tomaz Vieira Pereira

Palavras Iniciais

Neste curso é apresentada uma abordagem da termodinâmica, sob o ponto de vista da Engenharia Mecânica, e os exemplos de aplicação procurarão abordar problemas usualmente encontrados pelos Engenheiros Mecânicos no exercício de seu trabalho.

No desenvolvimento do curso são abordados os tópicos que constam da ementa.

Vale enfatizar que a Termodinâmica Clássica, em sua conceituação macroscópica, é uma ciência que procura apresentar os fatos de forma lógica e muitas vezes intuitiva. Pelo fato de muitas coisas parecerem óbvias quando demonstradas por outros, ficamos com a impressão que tudo é muito fácil e que saberemos também fazer as demonstrações com a mesma facilidade. Isso tem trazido para muitos uma surpresa bastante desagradável na hora de verificar os conhecimentos assimilados.

SUGESTÃO: ESTUDE E FAÇA OS EXERCÍCIOS.

SÓ ASSISTIR AS AULAS NÃO BASTA.

capítulo 1

1. CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS

TERMODINÂMICA

do Grego THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia

DYNAMIS - FORÇA

Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é conhecida vem desde a Antigüidade, seu estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz.

Atualmente: espectro bastante abrangente, como ciência da ENERGIA e das relações entre as PROPRIEDADES da matéria.

Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.

Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança.

A relação seguinte mostra algumas áreas de aplicação da Termodinâmica na Engenharia.

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

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

Sistemas energéticos alternativos

Células de combustível

Dispositivos termoeléctricos e termoiônicos

Conversores magnetohidrodinâmicos (MHD)

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

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

1.1. SISTEMAS TERMODINÂMICOS

Um importante passo em toda análise em engenharia é a identificação precisa do objeto a ser estudado. Em mecânica, quando o movimento de um corpo precisa ser determinado, normalmente o primeiro passo é a definição de um CORPO LIVRE e depois a identificação de todas as forças externas exercidas sobre ele por outros corpos. A segunda lei do movimento de Newton é então aplicada.

Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da análise.

Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa.

Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui.

A composição da matéria dentro do sistema pode mudar (reações químicas ou nucleares).

Vizinhança - Tudo o que é externo ao sistema.

Fronteira - superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua

fronteira.

Pode estar em movimento ou repouso.

Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer análise termodinâmica.

Sua definição é arbitrária e dever ser feita pela conveniência da análise a ser feita.

1.1.1. TIPOS DE SISTEMAS

Sistema fechado e Volume de controle.

Sistema Fechado - quantidade fixa de matéria. Massa não entra, nem sai.

Volume de Controle - região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa.

Exemplos do Livro-texto:

Figura 1.1 Gás num conjunto pistão-cilindro.

Figura 1.2 Motor de automóvel.

Obs. Alguns autores utilizam denominações diferentes:

SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE

VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO

FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE

1.1.2. PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO

MACROSCÓPICO - trata do comportamento global, inteiro do sistema. Nenhum modelo de estrutura molecular, atômica ou subatômica é utilizado diretamente. Este tratamento é o aplicado na termodinâmica CLÁSSICA. O sistema é tratado como um continuum.

MICROSCÓPICO - tratamento que leva em conta a estrutura da matéria. É chamada de termodinâmica ESTATÍSTICA. O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas e relacioná-lo com o comportamento macroscópico do sistema.

Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas.

1.2. PROPRIEDADE, ESTADO, PROCESSO E EQUILÍBRIO

PROPRIEDADE - características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo.

ESTADO - condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.

PROCESSO - mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades.

ESTADO ESTACIONÁRIO - nenhuma propriedade muda com o tempo.

CICLO TERMODINÂMICO - sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado.

Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.

1.2.1. PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

EXTENSIVAS - Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido.

Dependem do tamanho e extensão do sistema.

Seus valores podem variar com o tempo.

Exemplo: massa, energia, volume.

INTENSIVAS - Não são aditivas, como no caso anterior.

Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.

Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.

Exemplo: temperatura e pressão.

1.2.2. FASE E SUBSTÂNCIA PURA

FASE - Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física.

Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa.

Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor.

Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma simples fase.

SUBSTÂNCIA PURA - É invariável em composição química e é uniforme.

Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.

1.2.3. EQUILÍBRIO

Conceito fundamental em termodinâmica clássica, uma vez que ela trata das mudanças entre estados de equilíbrio.

· EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO:

implica em equilíbrios mecânico, térmico, de fase e químico.

· UNIFORMIDADE DE PROPRIEDADES NO EQUILÍBRIO:

não variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura.

· PROCESSO QUASE-ESTÁTICO:

processo idealizado composto de uma sucessão de estados de equilíbrio, representando cada processo um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior.

Esses processos representam a base para comparação dos processos reais.

· PROCESSOS REAIS:

são compostos por sucessão de estados de não equilíbrio (não uniformidade espacial e temporal das propriedades, e variações locais com o tempo).

1.3. UNIDADES PARA MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA

Serão considerados 2 sistemas de Unidades - SI - Sistema internacional

Sistema Inglês.

1.3.1. SI - SISTEMA INTERNACIONAL 1.3.2. SISTEMA INGLÊS

MASSA

kg (quilograma)

lb. ou lbm (libra massa)

COMPRIMENTO

m (metro)

ft (foot = pé)

TEMPO

s (segundo)

s (segundo)

UNIDADE DE

FORÇA(derivada)

N (Newton)

lbf (libra força)

Definições e conversões.

Comprimento 1 ft = 12 in (polegadas) = 12 x 0,0254 m = 0,3048 m

Massa 1 lbm = 0,45359237 kg

Força . F= ma

1N= 1 (kg) x 1 (m/s2)

l lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2)

1 lbf = 4,448215 N

Quantidade

Unidade

Símbolo

Massa

kilograma

kg

Comprimento

metro

m

Tempo

segundo

s

Força

newton (=1 kg.m/s2 )

N

Tabela 1.2. SI Unidades para Massa, Comprimento, Tempo e Força

Fator

Prefixo

Símbolo

Fator

Prefixo

Símbolo

1012

tera

T

10-2

centi

c

109

giga

G

10-3

mili

m

106

mega

M

10-6

micro

m

103

kilo

k

10-9

nano

n

102

hecto

h

10-12

pico

p

Tabela 1.3. SI Unidades - Prefixos

Quantidade

Unidade

Símbolo

Massa

libra massa

lb

Comprimento

ft

Tempo

segundo

s

Força

libra força

(=32.1740 lb.ft/s2)

lbf

Tabela 1.4. Unidades Inglesas para Massa, Comprimento, Tempo e Força

1.4 - VOLUME ESPECÍFICO E PRESSÃO.

1.4.1. MASSA ESPECÍFICA E VOLUME ESPECÍFICO

Massa específica:

V' = menor volume para o qual a substância pode ser tratada como meio contínuo.

Assimilando:

(integral de volume ou tripla)

Volume específico: (m3/kg no SI)

Volume por kmol: (m3/kmol)

onde M = massa molecular da substância

FATORES DE CONVERSÃO

Massa e

massa específica

1 kg = 2.2046 lb

1g/cm3 = 103 kg/m3

1g/cm3 =62.428 lb/ft3

1 b = 0.4536 kg

1 lb/ft3 = 0.016018 g/cm3

1 lb/ft3 = 16.018 kg/m3

Comprimento

1 cm = 0.3937 in.

1m =3.2808 ft

1 in. = 2.54 cm

1 ft = 0.3048 m

Velocidade

1 km/h = 0.62137 mile/h

1 mile/h = 1.6093 km/h

Volume

1 cm3 = 0.061024 in.3

1m3 = 35.315 ft3

1 L =10-3m3

1L = 0.0353 ft3

1 in.3 = 16.387 cm3

1 ft3 = 0.028317 m3

1gal = 0.13368 ft3

1 gal = 3.7854 x 10-3m3

Força

1 N = 1kg m/s2

1 N = 0.22481 lbf

1 lbf = 32.174 lb ft/s2

1 lbf = 4.4482 N

Pressão

1 Pa - 1 N/m2 = 1.4504 x 10-4 lbf/in.2

1 bar = 105 N/m2

1atm = 1.01325 bar

1 lbf/in.2 = 6894.8 Pa

1 lbf/in2 = 144 lbf/ft.2

1 atm = 14 696 lbf/in.2

Energia e

Energia

Específica

1J = 1N . m = 0.73756 ft lbf

1 kJ = 737.56 lbf

1 kJ = 0.9478 Btu

1kJ/kg = 0.42992 Btu/lb

1 ft lbf = 1.35582 J

1Btu = 778.17 ft lbf

1 Btu = 1.0551 kJ

1 Btu/lb = 2.326 kJ/kg

1 kcal = 4.1868 kJ

Taxa de

Transferência de Energia

1 W = 1 J/s = 3.413 Btu/h

1kW = 1.341 hp

1 Btu/h = 0.293 W

1 hp = 2545 Btu/h

1hp = 550 ft lbf/s

1hp = 0.7457 kW

Calor

Específico

1 kJ/kg K = 0.238846 Btu/lb oR

1 kcal/kg K = 1 Btu/lb oR

1 Btu/lb . oR = 4.1868

kJ/kg . K

1.4.2. PRESSÃO

Fluído em repouso em contato com área A:

Pressão:

A' = menor área onde a substância pode ser considerada um meio contínuo.

Assimilando:

A pressão num "ponto" é a mesma qualquer que seja a orientação de A, desde que o fluido esteja em repouso.

Para fluidos em movimento, a pressão corresponde à tensão normal sobre A.

Unidades de pressão: 1 Pa (pascal) = 1 N/m2

Outras Unidades: 1atm = 101325 N/m2

1 bar = 105 N/m2

Medidores de pressão:

. manômetro tipo tubo em U

. Bourdon

. piezoelétricos

. diafragma

. barômetros (patm.)

1.5. TEMPERATURA

É uma propriedade Intensiva como P e V.

Difícil definir rigorosamente (energia cinética das moléculas de um gás perfeito).

Assim como a força, o conceito de temperatura é originado de nossa percepção sensorial. Conseguimos distinguir que um corpo 1, está mais quente que um corpo 2, e este mais quente que um corpo 3, etc. No entanto por mais sensibilidade que o corpo humano possa ter, ele não consegue medir o valor dessa propriedade. Dessa forma é necessário lançar mão de dispositivos adequados (termômetros) e escalas de temperatura para quantificar adequadamente esta propriedade.

1.5.1. EQUILÍBRIO TÉRMICO

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.

Dessa forma 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.

O tempo necessário para que o equilíbrio seja atingido dependerá do contato entre eles, e se os blocos estiverem isolados do ambiente a troca de energia ocorrerá somente entre os dois blocos.

Algumas definições:

Parede diatérmica: permite interação térmica (troca de calor).

Parede adiabática = isolante ideal não permite interação térmica.

Processo adiabático: processo de um sistema envolvido por uma parede adiabática.

Processo isotérmico: T=constante.

Lei Zero da Termodinâmica: Quando dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo eles estarão também em equilíbrio entre si (não se aplica a equilíbrio químico e de fases).

1.5.2. TERMÔMETROS

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

TIPOS:

- 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).

1.5.3. ESCALA DE TEMPERATURA DE GÁS E ESCALA KELVIN (SI):

Ponto fixo padrão: ponto triplo da água (equilíbrio entre gêlo, água e vapor d'água) = 273,16 K (pressão = 0,6113 Pa = 0,006 atm).

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.

Termômetro de gás não pode ser usado abaixo de 1 K e para temperaturas muito altas. Fora daí, as escalas de gás e Kelvin coincidem.

1.5.4. OUTRAS ESCALAS:

CELSIUS: T(oC) = T(K) - 273,15

RANKINE: T(oR) = 1,8 T (K)

FAHRENHEIT: T(oF) = T(oR) - 459,67

T (°F) = 1,8 T(°C) + 32

1.6. METODOLOGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS TERMODINÂMICOS.

Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são:

definição do sistema;

identificação das interações relevantes com a vizinhança.

Estabelecer:

- o que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras;

- o que é procurado: resumir o que é procurado;

- esquema e dados: definir o sistema (sistema fechado ou volume de controle); - identificar a fronteira;

- anotar dados e informações relevantes;

- hipóteses;

- análise: feita sobre as equações (conservação da massa, conservação da

energia, segunda lei da termodinâmica);

- comentários: interpretar.

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