Fundamentos da Termodinamica

Fundamentos da Termodinamica

(Parte 1 de 10)

Depto. de Engenharia Mecânica

Universidade de Taubaté – UNITAU Prof. Dr. Fernando Porto

“Pouco, porém bem feito.” Carl Friedrich Gauss

“Deus está com aqueles que perseveram.” Alcorão – capítulo VIII

“Memento mori” Tertuliano (Quintus Septimius Florens Tertullianus) – Apologeticus, capítulo 3

O soldado que não acredita na vitória não é capaz de lutar por ela.

Esta apostila abrange a totalidade do conteúdo da disciplina “Fundamentos da Termodinâmica”, tal como ministrada nos cursos de engenharia ligados ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté, UNITAU.

A apostila é baseada em notas de aula, as quais apresentam resumidamente o conteúdo do livro texto indicado ao aluno para o acompanhamento da disciplina, Fundamentos da Termodinâmica, de Richard E. Sonntag, Claus Borgnakke e Gordon J. Van Wylen, Editora Edgard Blücher Ltda.

Em momento algum o aluno deve supor que a apostila se sobrepõe ou transforma em desnecessário o uso do livro texto. Ao contrário, a função desta é somente facilitar ao aluno o uso do referido livro, continuando seu emprego imprescindível a uma compreensão equilibrada e abrangente da disciplina.

Prof. Dr. Fernando Porto Depto. Engenharia Mecânica – UNITAU Janeiro de 2007

Capítulo 1 – Introdução

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU

Fundamentos da TERMODINÂMICA

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO

1.1 Definição

A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. Apesar de todos nós termos um sentimento do que é energia, é muito difícil elaborar uma definição precisa para ela. Na verdade a Física aceita a energia como conceito primitivo, sem definição, ou seja, apenas caracterizando-a.

É bastante conhecido o fato de que uma substância é constituída de um conjunto de partículas denominadas de moléculas. As propriedades de uma substância dependem, naturalmente, do comportamento destas partículas.

A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de problemas.

Extraído de http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodinâmica(disponível em Janeiro de 2007)

1.2 Por que Estudar Termodinâmica?

Na engenharia, a Termodinâmica é utilizada para a análise de diversos processos que ocorrem em equipamentos industriais de grande importância, tais como centrais termoelétricas, refrigeradores por compressão de vapor, motores a reação (motores a jato e foguetes), equipamentos de decomposição de ar, e muitos outros.

Desta forma, o domínio da termodinâmica é essencial para que o engenheiro possa projetar estes equipamentos e sistemas com o objetivo de construí-los dentro do menor custo razoável e obter destes, em operação, a maior eficiência energética possível.

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU

2.1 O Sistema Termodinâmico e o Volume de Controle

Sistema termodinâmico: (sistema fechado) é uma quantidade de matéria, com massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida para o estudo. Tudo o 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. Calor e trabalho podem cruzar a fronteira.

Ex.: Considere o gás contido no cilindro mostrado na figura abaixo como sistema. Se o conjunto é aquecido, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. Quando o êmbolo se eleva, a fronteira do sistema move. O calor e trabalho cruzam a fronteira do sistema durante esse processo, mas não a matéria que compõe o sistema.

Sistema isolado: é aquele que não é influenciado, de forma alguma, pela vizinhança (ou seja, calor e trabalho não cruzam a fronteira do sistema).

Volume de controle: (sistema aberto) é um volume que permite um fluxo de massa através de uma fronteira, assim como o calor e o trabalho.

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

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Assim, um sistema é definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa e um volume de controle é especificado quando a análise envolve fluxos de massa.

2.2 Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico

Meio contínuo: Sob o ponto de vista macroscópico, nós sempre consideraremos volumes muito maiores que os moleculares e, desta forma, trataremos com sistemas que contém uma enormidade de moléculas. Uma vez que não estamos interessados nos comportamentos individuais das moléculas, desconsideraremos a ação de cada molécula e trataremos a substância como contínua.

2.3 Estado e Propriedades de uma Substância

Fase: definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea (fase líquida, sólida ou gasosa). Quando mais de uma fase coexistem, estas se separam, entre si, por meio das fronteiras das fases.

Estado: Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas. O estado de uma fase pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis; algumas das mais familiares são: temperatura, pressão e massa específica.

Propriedades: Cada uma das propriedades (temperatura, pressão, massa) de uma substância, num dado estado, apresenta somente um determinado valor e essas propriedades tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a ele, isto é, independente do caminho (história) pelo qual o sistema chegou à condição (estado) considerada. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Propriedade intensiva: é independente da massa. Ex.: temperatura, pressão.

Propriedade extensiva: seu valor varia diretamente com a massa. Ex.: massa, volume.

Assim, se uma quantidade de matéria, num dado estado, é dividida em duas partes iguais, cada parte apresentará o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valor das propriedades extensivas da massa original.

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU

Quando um sistema está em equilíbrio em relação a todas as possíveis mudanças de estado, dizemos que o sistema está em equilíbrio termodinâmico.

2.4 Processos e Ciclos

Processo: Quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema é alterado, dizemos que ocorreu uma mudança de estado. O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre é chamado de processo.

Processo de quase-equilíbrio: Consideremos o equilíbrio do sistema mostrado abaixo quando ocorre uma mudança de estado. No instante em que o peso é removido, o equilíbrio mecânico deixa de existir, resultando no movimento do pistão para cima, até que o equilíbrio mecânico seja restabelecido.

Uma vez que as propriedades descrevem o estado de um sistema apenas quando ele está em equilíbrio, como poderemos descrever os estados de um sistema durante um processo, se o processo real só ocorre quando não existe equilíbrio?

Um passo para respondermos a essa pergunta consiste na definição de um processo ideal, chamado de processo de quase-equilíbrio. Um processo de quase-equilíbrio é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio.

Muitos dos processos reais podem ser modelados, com boa precisão, como processos de quaseequilíbrio. Se os pesos sobre o pistão são pequenos, e forem retirados um a um, o processo pode ser considerado como de quase-equilíbrio.

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

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