Capítulo 1 Revisão de Conceitos Básicos

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1 Termodinâmica da Atmosfera ACA/IAG/USP Capítulo 1 Revisão de Conceitos Básicos

2 Composição da Atmosfera Terrestre

3 São conceitos de interesse para o curso: Mudanças de fase da água na atmosfera Transformações de energia (também conhecido como Energética) Exemplos (muito simplificados): Parcela de ar em ascensão Liberação de uma quantidade de calor (dq) por parcelas de ar em ascensão. Experimentos em laboratório mostram que: dq L dm p onde L é o calor latente de condensação e dm p é a massa de vapor d água condensada na processo. OBS.: a) Calor latente de vaporização/condensação a 0 o C: L 2.50 x 10 6 J kg -1 b) Calor latente de vaporização/condensação a 100 o C: L 2.25 x 10 6 J kg -1

4 de interesse: Gelo (fase sólida) FUSÃO SOLIDIFICAÇÃO Água Líquida (fase líquida) VAPORIZAÇÃO CONDENSAÇÃO Vapor (fase gasosa) SUBLIMAÇÃO

5 1.2 Conceito de SISTEMA Em termodinâmica da atmosfera, o sistema é qualquer porção da atmosfera composta por: Ar seco (inerte) Mistura de gases inertes (i.e., que não mudam de fase, como N 2, O 2, CO 2, O 3,...) o Por não mudam de fase entende-se: não passam por transformações químicas H 2 O em suas 3 fases - vapor d água - água líquida - gelo EM RESUMO: a atmosfera é considerada composta por 2 constituintes: ar seco + água

6 Definição de sistema: Conceitos básicos Toda porção de matéria a qual se deseja estudar propriedades termodinâmicas, como seu estado atual, evolução no tempo, etc. MEIO AMBIENTE: Todo material com o qual um sistema pode interagir é dito meio externo ou meio ambiente ( o resto do Universo ). Borda do sistema: Superfície (real ou imaginária) que separa o sistema do resto do Universo.

7 Os sistema podem ser: Conceitos básicos ABERTOS Trocam matéria e energia com o meio ambiente e estão sujeitos a efeitos de mistura (Exemplo: entranhamento) FECHADOS NÃO trocam matéria, mas podem trocar energia com o meio ambiente (Exemplos: condução de calor, radiação) balão de festa ISOLADOS Não trocam matéria ou qualquer espécie de energia com o meio

8 1.3 Definições de termos e conceitos adicionais PROPRIEDADES O que descreve um sistema fisicamente em um dado instante; as propriedades são expressas em termos de variáveis físicas VARIÁVEL TERMODINÂMICA Toda grandeza física que corresponde a uma propriedade macroscópica do sistema considerado. Exemplos: Volume (V) Temperatura absoluta (T) Massa (m) Pressão (p)

9 PARA SISTEMAS FECHADOS: - A massa e a composição química definem o sistema - As demais propriedades definem o ESTADO do sistema ESTADO: (em linguagem popular, equivale à questão: como está?) - Para se determinar o estado (termodinâmico) de um sistema, a experiência (laboratório) mostra que é necessário fornecer um certo número de variáveis independentes a partir das quais as variáveis dependentes podem ser calculadas. - Matematicamente, diz-se que as VD são funções das VIs [VD = f(vis)] Exemplo: Dados x e y, então z = f(x,y).

10 PROPRIEDADES EXTENSIVAS São aquelas variáveis físicas que dependem do tamanho (ou, equivalentemente, da massa) do sistema. Exemplos: m V C (capacidade térmica) As variáveis extensivas se referem ao sistema como um todo. PROPRIEDADES INTENSIVAS São aquelas variáveis físicas que NÃO dependem do tamanho do sistema. Exemplos: T (por exemplo, a T pode variar dentro de uma sala de aula (sistema), entre a porta da sala e a lousa) p c (calor específico: c = C/m)

11 EXEMPLO: Conceitos básicos Unindo-se dois sistemas termodinâmicos idênticos a fim de se formar um sistema único com tamanho duas vezes maior, todas as grandezas termodinâmicas extensivas (exemplos: volume, capacidade térmica e entropia), terão seus respectivos valores dobrados no novo sistema termodinâmico estabelecido. Já os valores das respectivas grandezas intensivas no novo sistema (exemplo: pressão e temperatura), serão idênticos aos respectivos valores antes inferidos em cada um dos dois sistemas gêmeos iniciais.

12 OBS.: Quando uma variável intensiva tem o mesmo valor por todo o sistema, ela é chamada UNIFORME PROPRIEDADES ESPECÍFICAS São, então, as propriedades extensivas quando referidas a uma unidade de massa (ou de volume). Exemplo: c = C/m. OBS.: Letras maiúsculas são usadas para propriedades extensivas (como V para volume e U para energia interna). Letras minúsculas são usadas para propriedades específicas. Exemplos:

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14 OBS.: O sistemas de unidades adotado neste curso é o Sistema Internacional de unidades (SI): kg, K, s. CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA Sistema Homogêneo (apresenta 1 fase somente) Se as variáveis intensivas têm o mesmo valor para qualquer parte do sistema: Z = m z Z = m z Em qualquer porção de massa m do sistema, encontra-se Z = m z

15 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA Sistema Heterogêneo Apresenta várias fases concomitantemente: Exemplo: Fase 1 Fase 2 Fase 3 Cada fase é um sistema homogêneo. Então: gotas + ar úmido + gelo líquido gasoso líquido sólido gasoso sólido

16 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À COMPOSIÇÃO E O ESTADO DE UM SISTEMA OBSERVAÇÃO: Sistema Inomogêneo (atmosfera) Conceitos básicos Pode acontecer das propriedades extensivas variarem continuamente de um ponto a outro do sistema.

17 EQUILÍBRIO O estado de um sistema colocado em um dado ambiente pode não permanecer constante com o tempo. Se variar, diz-se que o sistema não está em equilíbrio. A independência no tempo é uma condição necessária para se definir equilíbrio. VARIÁVEIS DE ESTADO São aquelas que descrevem o estado de equilíbrio de um sistema, não importando como o sistema chegou àquele estado. OBS.: Em sistemas fechados e homogêneos, duas variáveis são independentes. Todas as demais propriedades dependerão do estado definido por estas duas variáveis. As variáveis independentes podem ser escolhidas entre pressão, volume e temperatura (p, V, T). OBS: Um sistema somente pode ser descrito por variáveis termodinâmicas se estiver em equilíbrio.