Termo - Aula 1

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TERMODINÂMICA Aula 1 Prof. Luan de Campos Corrêa, M.Sc. Tópicos • Introdução • Sistema termodinâmico • Volume de controle • Pontos de vista micro e macroscópico • Propriedades termodinâmicas • Estado e equilíbrio • Processos • Regime permanente 26/02/2016 2 Introdução • Todas as atividades envolvem alguma interação entre energia e matéria. • É difícil imaginar uma área que não se relacione com a termodinâmica de alguma maneira. • Uma boa compreensão dos princípios básicos da termodinâmica é parte essencial do ensino da engenharia. 26/02/2016 3 Introdução • A termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. • É difícil estabelecer uma definição para ela. • A energia pode ser entendida como a capacidade de causar alterações. • A termodinâmica trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho. • A base da termodinâmica é a observação experimental. • As descobertas foram formalizadas através de leis básicas, chamadas de leis da termodinâmica. 26/02/2016 4 Introdução • Não há necessidade de memorizar numerosas equações, os problemas são resolvidos pela aplicação das definições e leis da termodinâmica. • Uma das leis fundamentais é o princípio da conservação da energia. • Durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total permanece constante. • A energia não pode ser criada ou destruída. 26/02/2016 5 Introdução • Temos o exemplo clássico do café quente em uma xícara deixada sobre uma mesa. • O café esfria após certo tempo. • Mas café frio em uma xícara deixada na mesma sala nunca esquenta por conta própria. • A energia de alta temperatura do café é transformada em uma forma menos útil a uma temperatura mais baixa depois de ser transferida para o ar circundante. 26/02/2016 6 Sistema termodinâmico • Um sistema termodinâmico é definido como uma quantidade de matéria com massa e identidade fixas. • Tudo que é externo ao sistema é denominado meio ou vizinhança. • O sistema é separado da vizinhança pelas fronteiras. • As fronteiras podem ser fixas ou móveis. • A fronteira tem espessura zero, • não pode conter massa e nem ocupar nenhum volume no espaço. 26/02/2016 7 Sistema termodinâmico • Se um bico de Bunsen é colocado sobre o cilindro, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. • Quando o êmbolo se eleva, a fronteira do sistema se move, • Posteriormente, será mostrado que calor e trabalho cruzam a fronteira durante esse processo, mas a matéria (massa) que compõe o sistema pode ser sempre identificada. 26/02/2016 8 Sistema termodinâmico • Se, em um caso especial, nem a energia (calor e trabalho) atravessa a fronteira (além da massa), esse sistema é chamado de sistema isolado. 26/02/2016 9 Volume de controle • Diversos problemas de engenharia envolvem fluxo de massa para dentro e para fora de um sistema, • e assim podem ser modelados como volumes de controle. • Exemplos: aquecedor de água, trocador de calor, turbina, compressor... 26/02/2016 10 Volume de controle • É uma região criteriosamente selecionada no espaço. • A fronteira de um volume de controle é chamada de superfície de controle. • Inclui um dispositivo que envolve fluxo de massa • Por exemplo: compressor, turbina, bocal... • Tanto massa quanto energia (calor e trabalho) podem cruzar a fronteira de um volume de controle. 26/02/2016 11 Volume de controle • As superfícies de controle podem ser reais ou imaginárias. • No caso de um bocal: • a superfície interna do bocal forma a parte real da fronteira, e • as áreas de entrada e saída formam a parte imaginária (não existem superfícies físicas). 26/02/2016 12 Volume de controle • Um volume de controle pode ter tamanho e forma fixos (como um bocal) ou pode envolver fronteiras móveis. • A maioria dos volumes de controle possuem fronteiras fixas. • Em um volume de controle pode haver interações de calor e trabalho (como em um sistema fechado), além de entrada e/ou saída de massa. 26/02/2016 13 Volume de controle • Se tivéssemos que calcular o calor transferido para o tanque (aquecedor) para obter uma corrente de água quente. • Água quente sairá do aquecedor e água fria entrará, então não devemos escolher um sistema de massa fixa para a análise. • Deve-se considerar o volume formado pelas superfícies internas do tanque e considerar a água quente e a água fria como massa que cruzam o volume de controle. • As superfícies internas do tanque formam a superfície de controle. 26/02/2016 14 Sistema e Volume de controle • Na maioria dos casos, os sistemas em estudo serão bastante simples, gerando certo desleixo na hora de sua definição. • Porém, há casos mais sofisticados que uma escolha correta pode simplificar bastante a análise do sistema. • Resumindo, • um sistema é definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa (podendo haver trocas de calor e trabalho). • um volume de controle é especificado quando a análise envolve fluxo de massa (podendo haver trocas de calor e trabalho). • Em algumas literaturas, os termos sistema fechado e sistema aberto são usados de forma equivalente aos termos sistema (massa fixa) e volume de controle (envolvendo fluxos de massa). 26/02/2016 15 Pontos de vista microscópico • Suponhamos que o sistema seja composto por um gás monoatômico, a pressão e temperatura atmosféricas, contido num cubo com aresta igual a 25 mm. Esse sistema contém certa de 1020 átomos. • Três coordenadas devem ser especificadas para descrever a posição de cada átomo e para descrever a velocidade de cada átomo são necessárias as três componentes do vetor velocidade. • Então, para descrever o comportamento desse sistema, sob o ponto de vista microscópico, é necessário trabalhar com 6𝑥1020 equações. • Somente seria possível a resolução com um computador de grande capacidade. 26/02/2016 16 Pontos de vista macroscópico • A outra forma de abordar utiliza a termodinâmica clássica macroscópica. • Nela, nos preocupamos apenas com os efeitos totais ou médios de muitas moléculas. • Esses efeitos podem ser medidos por instrumentos – o que percebemos e medimos é a influência média temporal de muitas moléculas. • Por exemplo, consideremos a pressão exercida por um gás sobre as superfícies de um recipiente. • Essa pressão resulta da mudança na quantidade de movimento das moléculas quando estas colidem com as paredes. • Sendo assim, não estamos interessados na ação isolada de uma molécula, mas sim na força média em relação ao tempo que atua sobre certa área. 26/02/2016 17 Propriedades de uma substância • As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes: • as intensivas e as extensivas. • uma propriedade intensiva é independente da massa • uma propriedade extensiva varia diretamente com a massa. • Um modo fácil de determinar se uma propriedade é intensiva ou extensiva é dividir o sistema em duas partes iguais. • cada parte terá propriedades intensivas com o mesmo valor do sistema original, mas metade do valor no caso das propriedades extensivas. • Exemplo: • propriedades intensivas: temperatura, pressão e massa específica. • propriedades extensivas: massa e volume. 26/02/2016 18 Propriedades de um sistema • Frequentemente, refere-se não apenas às propriedades de uma substância, mas também às propriedades de um sistema. • Isso implica que o valor da propriedade tem significância para todo o sistema. • e indica que o sistema encontra-se em equilíbrio. 26/02/2016 19 Estado e equilíbrio • Considere um sistema que não passa por nenhuma mudança de estado. • Nesse ponto, todas as propriedades podem ser medidas ou calculadas em todo o sistema, • que nos dá um conjunto de propriedades que descreve completamente a condição ou estado do sistema. • Em determinado estado, todas as propriedades do sistema têm valores fixos. 26/02/2016 20 Estado e equilíbrio • Se o valor de apenas uma propriedade mudar, o estado será diferente. 26/02/2016 21 Estado e equilíbrio • A termodinâmica trata de estados em equilíbrio. • A palavra equilíbrio implica um estado de equilíbrio. • Em um estado de equilíbrio não há potencias desbalanceados (ou forças motrizes) dentro do sistema. • Um sistema em equilíbrio não passa por mudanças quando está isolado da sua vizinhança. • Existem muitos tipos de equilíbrio, e um sistema não está em equilíbrio termodinâmico a menos que as condições para todos os tipos relevantes de equilíbrio estejam satisfeitas. 26/02/2016 22 Processos • Toda mudança na qual um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro é chamado de processo. • A série de estados pelos quais um sistema passa durante um processo é chamada de percurso do processo. • Para descrever um processo completamente é preciso especificar os estados inicial e final do processo, bem como o percurso que ele segue, além das interações com a vizinhança. 26/02/2016 23 Processos • Um processo que se desenvolve de forma que o sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio em todos os momentos é chamado de processo quase-estático ou de quase-equilíbrio. • Um processo de quase-equilíbrio pode ser visto como um processo suficientemente lento que permite ao sistema ajustar-se internamente para que as propriedades do sistema não mudem mais rapidamente do que as propriedades de outras partes. 26/02/2016 24 Processos • Quando o gás de um arranjo pistão-cilindro é repentinamente comprimido: • as moléculas próximas à face do pistão não terão tempo suficiente para se deslocar e • vão se acumular em uma região pequena à frente do pistão, criando ali uma região de alta pressão. • Por causa dessa diferença de pressão, não é mais possível dizer que o sistema está em equilíbrio, • e isso o caracteriza como um processo de não equilíbrio. 26/02/2016 25 Processos • Entretanto, se o pistão for movimentado lentamente, • as moléculas terão tempo suficiente para se redistribuírem e • não haverá acúmulo de moléculas à frente do pistão. • Como resultado, a pressão dentro do cilindro será sempre quase uniforme e se elevará a mesma taxa em todos os locais. • Como o equilíbrio é mantido em todos os instantes, o processo é de quaseequilíbrio. 26/02/2016 26 Processos • Um processo de quase-equilíbrio é idealizado, e não é uma representação verdadeira de um processo real. • Muitos processos reais se aproximam bastante dos processos de quase- equilíbrio e podem ser modelados como tais com erros desprezíveis. • Na engenharia, utiliza-se essa aproximação por dois motivos: • Primeiramente, eles são mais fáceis de analisar. • Os dispositivos que produzem trabalho fornecem mais trabalho quando operam nos processos de quase-equilíbrio. • Sendo assim, os processos de quase-equilíbrio servem como padrão para processos reais. 26/02/2016 27 Processos • Diagramas de processo traçados com propriedades termodinâmicas como coordenadas são muitos úteis na visualização dos processos. • As propriedades mais usadas são temperatura, pressão e o volume. • O percurso indica uma série de estados de equilíbrio pelos quais o sistema passa durante um processo. 26/02/2016 28 Processos • O prefixo iso é quase sempre usado para caracterizar um processo em que determinada propriedade permanece constante. • O processo isotérmico é um processo em que a temperatura permanece constante. • O processo isobárico é um processo durante o qual a pressão permanece constante. • O processo isovolumétrico (ou isocórico) é um processo durante o qual o volume se mantém constante. 26/02/2016 29 Processos de não equilíbrio • Nos processos de não equilíbrio não podemos caracterizar todo o sistema com um único estado, • não podemos falar em um percurso de processo para um sistema como um todo. • A descrição do sistema se limita em antes de ocorrer o processo, e após, quando o equilíbrio é reestabelecido. • entretanto, ainda sim é possível descrever os efeitos globais que ocorrem durante o processo. • Representação gráfica dos processos: • Um processo de não equilíbrio é indicado por uma linha tracejada, • um processo em equilíbrio ou quase-equilíbrio com linhas contínuas. 26/02/2016 30 O processo em regime permanente • Diversos equipamentos em engenharia operam por longos períodos sob as mesmas condições e são classificados com dispositivos de regime permanente. • Os processos que envolvem esses dispositivos podem ser bem representados por um processo idealizado chamado de processo em regime permanente. • O processo em regime permanente é um processo durante o qual o fluido escoa através de um volume de controle de forma permanente. 26/02/2016 31 O processo em regime permanente • As propriedades podem mudar de um ponto para outro dentro do volume de controle, • mas em qualquer ponto fixo elas permanecem as mesmas durante o processo (ao longo do tempo). • O volume, a massa e o conteúdo de energia total do volume de controle permanecem constantes durante um processo em regime permanente. 26/02/2016 32 O processo em regime permanente • Condições de regime permanente podem ser aproximadas de forma bastante satisfatória por dispositivos que operam de forma contínua, • como turbinas, bombas, caldeiras, condensadores, trocadores de calor, usinas de potência ou sistemas de refrigeração. • Alguns dispositivos cíclicos, como motores ou compressores alternativos não atendem a nenhuma das condições definidas anteriormente, • pois o fluxo nas entradas e saída são pulsantes, e não permanente. • Porém, as propriedades do fluido variam com o tempo de forma periódica, e o escoamento através desses dispositivos ainda pode ser analisado como um processo em regime permanente quando se utiliza valores médios de tempo para as propriedades. 26/02/2016 33 Ciclos • Quando um sistema, num dado estado inicial, passa por certo número de mudanças de estado, ou processos, e retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executou um ciclo. • Sendo assim, no final de um ciclo, todas as propriedades apresentam os mesmos valores iniciais. • Por exemplo, um ciclo de compressão a vapor e suas propriedades termodinâmicas nas entradas e saídas dos componentes. 26/02/2016 34 Importância das dimensões e unidades • Toda grandeza física pode ser caracterizada pelas dimensões. • As magnitudes atribuídas às dimensões são chamadas de unidades. • Algumas dimensões básicas são chamadas de dimensões primárias ou fundamentais. • Exemplo: massa (m) comprimento (L) tempo (t) temperatura (T) 26/02/2016 35 Importância das dimensões e unidades • Enquanto outras são expressas em função das dimensões primárias e são chamadas de dimensões secundárias ou dimensões derivadas. • Exemplo: velocidade (v) energia (E) volume (V) • Vários sistemas de unidades foram desenvolvidos ao longo dos anos. • Hoje ainda existem dois conjuntos de unidades em uso, o inglês e o métrico (SI – Sistema Internacional). 26/02/2016 36 Unidades das grandezas • Tempo: A unidade básica do tempo é o segundo (s) • Comprimento: A unidade básica de comprimento é o metro (m) • Massa: A unidade básica de massa é o quilograma (kg) • Força: • O conceito de força resulta da segunda lei de newton. • Não é um conceito independente. • A unidade de força é o newton (N), que é a força necessária para acelerar uma massa de 1 kg à razão de 1 m/s². 26/02/2016 37 Unidades das grandezas • Peso • É muitas vezes associado a um corpo e confundido com massa. • A palavra peso é usada corretamente quando está associada à força. • O peso é o produto da massa do corpo pela aceleração da gravidade. 𝑃 = 𝑚. 𝑎 = 𝑚. 𝑔 • Portanto, assim como a força, o peso é dado em newtons (N). • Onde g é a aceleração da gravidade local (9,81 m/s²). 26/02/2016 38 Densidade (massa específica) • A densidade (ou massa específica) é definida como a massa (em kg), associada à unidade de volume (1 m³). 𝜌=𝑚 𝑉 • A unidade da densidade no SI é kg/m³. • É uma propriedade intensiva. 26/02/2016 39 Volume específico • O volume específico de uma substância é o volume ocupado pela unidade de massa (1 kg). 𝑣=𝑉 𝑚 • A unidade de volume específico, no SI, é m³/kg. • É uma propriedades intensiva. • O volume específico (𝑣) é o inverso da densidade 𝑣=𝑉 𝑚=1 𝜌 26/02/2016 40 Trabalho e Potência • O trabalho, que é uma forma de energia, pode ser definido simplesmente como o produto da força pela distância 𝑊 = 𝐹. 𝑑 • A unidade no SI é o joule (J), em que 1 J = 1 N.m • A unidade da taxa de energia em relação ao tempo (J/s) é chamado de watt (W). • No caso de trabalho, sua taxa é chamada de potência (P) – dado em watt. 26/02/2016 41 Homogeneidade dimensional • Todas as equações que usaremos nos cálculos devem ser dimensionalmente homogêneas. • As verificações das dimensões podem servir como uma boa ferramenta para detectar erros de resolução. • Uma fórmula que não é dimensionalmente homogênea está definitivamente errada • e uma fórmula dimensionalmente homogênea não está necessariamente certa. 26/02/2016 42 Temperatura • Apesar de familiar, é difícil encontrar uma definição para temperatura. • Estamos habituados a noção de temperatura devido a sensação de calor/frio. • Devido a essa dificuldade de definir temperatura, definiremos igualdade de temperatura. • A lei zero da termodinâmica estabelece que: • quando dois corpos tem igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. • Isso parece bastante óbvio, porém ele não é deduzível de outras leis e precede as formalizações da primeira e da segunda lei da termodinâmica. • Esta lei estabelece a base para a medição de temperatura. 26/02/2016 43 Escalas de Temperatura • Permitem usar uma base comum para as medições de temperatura. • A escala usada no SI é a escala Celsius (anteriormente chamada de escala centígrada). • Na termodinâmica é desejável uma escala de temperatura que seja independente das propriedades de qualquer substância. • Tal escala de temperatura é chamada de escala termodinâmica de temperatura. • Essa escala (no SI) é a escala Kelvin (K). 26/02/2016 44 Pressão • Considere o gás contido no conjunto cilindro-pistão como um sistema. • A pressão exercida pelo gás em todas as fronteiras do sistema é a mesma desde que admitamos que o gás esteja num estado de equilíbrio. • O valor dessa pressão é fixado pelo módulo da força externa que atua no pistão, • porque é necessário existir o equilíbrio de forças para que o pistão permaneça estacionário. • Assim, o produto da pressão no gás pela área do pistão nível precisa ser igual a força externa. 26/02/2016 45 Pressão • Agora, se alterarmos a força externa, o valor da pressão no gás precisa se reajustar. • Este ajuste é alcançado a partir do movimento do pistão de modo que se estabeleça o balanço de forças do novo estado de equilíbrio. • A unidade de pressão é N/m², denominada pascal (Pa). 26/02/2016 46 Pressão • A pressão real em determinada posição é chamada de pressão absoluta (é medida com relação ao vácuo absoluto). • A maioria dos dispositivos de medição indicam a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica local (chamada de pressão manométrica). • As pressões abaixo da pressão atmosférica são chamadas de pressões de vácuo e são medidas pelos medidores à vácuo 26/02/2016 47 Pressão • A pressão atmosférica padrão (𝑝𝑎𝑡𝑚 ) no nível do mar é de 101,325 kPa. • A pressão atmosférica é apenas o peso do ar acima daquela localização por unidade de área de superfície. Ela muda com a altitude e com as condições meteorológicas. • Cozinhar em grandes altitudes leva mais tempo do que ao nível do mar, pois a água ferve a uma temperatura menor. • Para uma mesma temperatura, a densidade do ar é mais baixa a grandes altitudes, e assim, um determinado volume contém menor ar e menos oxigênio. • Por isso cansamos mais facilmente e temos problemas respiratórios em grandes altitudes. 26/02/2016 48