Fundamentos da Termodinamica

Fundamentos da Termodinamica

(Parte 2 de 10)

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

Processo de não-equilíbrio: Quando o sistema não se encontra em equilíbrio em nenhum instante durante a mudança de estado. Assim o sistema só pode ser descrito antes de ocorrer o processo e após, quando o equilíbrio é restabelecido.

Prefixo ISO: é usado para caracterizar um processo que ocorre mantendo uma propriedade constante:

· processo isotérmico: processo a temperatura constante; • processo isobárico: processo a pressão constante;

• processo isométrico: processo a volume constante.

Ciclo termodinâmico: é quando um sistema, num dado estado inicial, passa por vários processos e retorna ao estado inicial.

Dessa forma, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam os mesmos valores iniciais. A água que circula numa instalação termoelétrica a vapor executa um ciclo.

ATENÇÃO: Ciclo mecânico: um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. Entretanto, o fluido de trabalho não percorre um ciclo termodinâmico no motor, uma vez que o ar e o combustível reagem e, transformados em produtos de combustão, são descarregados na atmosfera.

Neste curso, o termo ciclo se referirá a um ciclo térmico (termodinâmico) a menos que se designe o contrário.

2.5 Unidades de Massa, Comprimento, Tempo e Força

Força: O conceito de força resulta da segunda lei de Newton, que estabelece que a força que atua sobre um corpo é proporcional ao produto da massa do corpo pela aceleração na direção da força. No SI, a unidade de força é definida a partir da segunda lei de Newton, não sendo portanto um conceito independente:

A unidade de força é o newton (N), que, por definição, é a força necessária para acelerar uma

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU massa de 1 quilograma à razão de 1 metro por segundo, por segundo, ou seja, 1N = 1 kg.m/s2. Deve-se observar que as unidades SI, que derivam de nomes próprios são representadas por letras maiúsculas; as outras são representadas por letras minúsculas.

Tempo: A unidade básica de tempo é o segundo (s). O segundo era definido como 1/86.400 do dia solar médio. Em 1967, a Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) definiu o segundo como o tempo necessário para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclos do ressonador de feixe de átomos de césio-133.

Comprimento: A unidade básica de comprimento é o metro (m), e por muitos anos (1889 a 1960) o padrão adotado foi o "Protótipo Internacional do Metro" que é a distância, sob certas condições preestabelecidas, entre duas marcas usinadas numa barra de platina-irídio, guardada no Escritório Internacional de Pesos e Medidas, em Sevres, França, equivalentes a 1/10.0.0 da distância entre o equador e o pólo norte, no meridiano de Paris. Em 1983, a CGPM adotou uma definição mais precisa do metro: o metro seria o comprimento da trajetória percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 do segundo.

Massa: A unidade SI de massa é o quilograma (kg). A CGPM de 1889, ratificado em 1901, o definiu o quilograma como corresponde à massa de um determinado cilindro de platina-irídio, de 39 m de altura e diâmetro, mantido sob condições preestabelecidas no Escritório Internacional de Pesos e Medidas.

Mol: O mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quanto são os átomos contidos em 12 g de carbono-12. Logo, 1 mol é a quantidade de matéria que existe em 6,02 × 1023 entidades. Ao utilizar o termo mol, deve-se especificar quais são as entidades elementares em questão (átomos, moléculas, íons, etc). O conceito de mol está intimamente ligado à Constante de Avogadro (valor aproximado de 6,022 × 1023). Assim, 1 mol de moléculas de qualquer gás possui 6,022 × 1023 moléculas deste gás, 1 mol de íons equivale a 6,022 × 1023 íons e 1 mol de grãos de areia equivale a 6,022 × 1023 grãos de areia. Um mol de átomos de qualquer elemento tem a massa de x gramas, onde x é a massa molar da substância, sendo que a massa molar e a massa atômica do elemento são numericamente iguais. A massa atômica do cloro é 35,453 u, e a massa molar do cloro, de 35,453 g/mol. Nós utilizaremos o quilomol (kmol), que corresponde à quantidade da substância, em quilogramas, numericamente igual ao peso molecular.

ATENÇÃO: O termo "peso" é freqüentemente associado a um corpo e é, às vezes, confundido

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU com massa. A palavra peso é usada corretamente apenas quando está associada a força. Quando dizemos que um corpo pesa um certo valor, isto significa que esta é a força com que o corpo é atraído pela Terra (ou por algum outro corpo), ou seja, o peso é igual ao produto da massa do corpo pela aceleração local da gravidade. A massa de uma substância permanece constante variando-se a sua altitude porém o seu peso varia com a altitude.

2.6 Energia

Um dos conceitos muito importantes na termodinâmica é o de energia. Este é um conceito fundamental, como o da massa e da força, e também apresenta dificuldade para ser definido com precisão. Energia tem sido definida como a capacidade de produzir um efeito.

2.7 Volume Específico e Massa Específica

O volume específico de uma substância é definido como o volume ocupado pela unidade de massa e é designado pelo símbolo v. A massa específica de uma substância é definida como a massa associada à unidade de volume. Desta forma, a massa específica é igual ao inverso do volume específico. A massa específica é designada pelo símbolo r . Observe que estas duas propriedades são intensivas. Um traço sobre o símbolo (letra minúscula) será usado para designar a propriedade na base molar. Assim v designará o volume específico molar e r a massa específica molar.

2.8 Pressão

A unidade de pressão no Sistema Internacional é o pascal (Pa) e corresponde à força de 1 newton agindo numa área de 1 metro quadrado. Isto é, 1 Pa = 1 N/m2. Já a atmosfera padrão é definida por 1 atm = 101300 Pa e é ligeiramente maior que o bar (1 bar = 100000 Pa = 0,1 MPa).

Considere o gás contido em um sistema. A pressão exercida pelo gás em todas as fronteiras do sistema é a mesma desde que o gás esteja num estado de equilíbrio.

A pressão absoluta é utilizada na maioria das análises termodinâmicas. Entretanto, a maioria dos manômetros de pressão e de vácuo indica a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica, diferença esta chamada de pressão manométrica ou efetiva. As pressões, abaixo da atmosférica e ligeiramente acima, e as diferenças de pressão (por exemplo, através de um orifício em um tubo) são medidas freqüentemente com um manômetro que utiliza água, mercúrio, álcool

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

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

Considere a coluna de fluido com altura L, medida acima do ponto B, mostrada na figura a seguir.

A pressão manométrica do fluido contido no reservatório é dada por

2.9 Igualdade de temperatura

Consideremos dois blocos de cobre, um quente e outro frio, cada um em contato com um termômetro de mercúrio. Se esses dois blocos de cobre são colocados em contato térmico,

Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Termodinâmica – Prof. Fernando Porto – Depto. Mecânica - UNITAU observamos que a resistência elétrica do bloco quente decresce com o tempo e que a do bloco frio cresce com o tempo. Após um certo período, nenhuma mudança na resistência é observada. De forma semelhante, o comprimento de um dos lados do bloco quente decresce com o tempo, enquanto que o do bloco frio cresce com o tempo. Após certo período, nenhuma mudança nos comprimentos dos blocos é observada. A coluna de mercúrio do termômetro no corpo quente cai e no corpo frio se eleva, mas após certo tempo nenhuma mudança nas alturas das colunas de mercúrio é observada. Podemos dizer, portanto, que dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações, em qualquer propriedade mensurável, quando colocados em contato térmico.

2.10 Lei Zero da Termodinâmica

A lei zero da termodinâmica estabelece que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. Isso parece bastante óbvio para nós porque estamos familiarizados com essa experiência. Entretanto, essa afirmação não é dedutível de outras leis e precede as formalizações da primeira e da segunda lei da termodinâmica.

Estes são os motivos para a necessidade do estabelecimento da "lei zero da termodinâmica".

Esta lei constitui a base para a medição da temperatura, porque podemos colocar números no termômetro de mercúrio e sempre que um corpo tiver igualdade de temperatura com o termômetro poderemos dizer que o corpo apresenta a temperatura lida no termômetro. O problema permanece, entretanto, em relacionar as temperaturas lidas em diferentes termômetros de mercúrio ou as obtidas através de diferentes aparelhos de medida de temperatura, tais como pares termoelétricos e termômetros de resistência. Isso sugere a necessidade de uma escala padrão para as medidas de temperatura.

Capítulo 3 – Propriedades de uma Substância Pura

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

Nós consideramos, no capítulo anterior, três propriedades familiares de uma substância: volume específico, pressão e temperatura. Agora voltaremos nossa atenção para as substâncias puras e consideraremos algumas das fases em que uma substância pura pode existir, o número de propriedades independentes que pode ter e os métodos utilizados na apresentação das propriedades termodinâmicas.

3.1 Substância Pura

Uma substância pura é aquela que tem composição química invariável e homogênea. Pode existir em mais de uma fase, mas a composição química é a mesma em todas as fases. Assim, água líquida, uma mistura de água líquida e vapor d'água ou uma mistura de gelo e água líquida são todas substâncias puras, pois cada fase apresenta a mesma composição química. Por outro lado, uma mistura de ar líquido e gasoso não é uma substância pura porque a composição da fase líquida é diferente daquela da fase gasosa. Às vezes, uma mistura de gases, tal como o ar, é considerada como uma substância pura desde que não haja mudança de fase.

3.2 Equilíbrio de Fases Vapor - Líquida - Sólida numa Substância Pura

Consideremos como sistema a água contida no conjunto êmbolo - cilindro abaixo:

Figura 3.1: Mudança da fase líquida para vapor de uma substância pura a pressão constante

Suponhamos que a massa de água seja igual a 1 kg, que o êmbolo e o peso imponham a pressão de 0,1 MPa no sistema e que a temperatura inicial seja igual a 20oC. A medida que é transferido calor à água, a temperatura aumenta consideravelmente, o volume específico aumenta

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