06/08/2015 TERMODINÂMICA. Aula 01 - Fundamentos. Prof. Dr. Sergio Turano de Souza INTRODUÇÃO E DEFINIÇÕES

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1 Aula 01 - Fundamentos Prof. Dr. Sergio Turano de Souza INTRODUÇÃO E DEFINIÇÕES 1. Usando a Termodinâmica 2. Máquinas Térmicas 3. Definindo Sistemas 3.1 Sistemas Fechados 3.2 Volumes de Controle 3.3 Selecionando a Fronteira do Sistema 4. Descrevendo Sistemas e Seus Comportamentos 4.1 Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico da Termodinâmica 4.2 Propriedades, Estado e Processo 4.3 Propriedades Extensivas e Intensivas 4.4 Equilíbrio 1

2 INTRODUÇÃO E DEFINIÇÕES A termodinâmica tem sido estudada desde os tempos antigos, mas seu estudo formal começou nos primórdios do século XIX através da capacidade de corpos quentes produzirem trabalho. Hoje o estudo da Termodinâmica é muito mais abrangente como o uso de combustíveis fósseis de forma mais eficaz, o apoio a tecnologias envolvendo energia renovável e o desenvolvimento de combustíveis mais eficiente para os meios de transporte. Ainda temos questões referentes às emissões de gases de efeito estufa e à poluição do ar e da água. 1. Usando a Termodinâmica Utilizaremos os princípios extraídos da termodinâmica e de outras ciências, tais como a mecânica dos fluidos e a transmissão de calor para analisar e projetar sistemas com o objetivo de atender às necessidades humanas. Buscamos obter projetos otimizados e de melhor desempenho, medido por fatores como o aumento na produção de algum produto desejado, uma redução na demanda de um produto escasso, uma diminuição nos custos totais ou um menor impacto ambiental. Os princípios da termodinâmica aplicada à engenharia exercem papel importante no atendimento dessas metas. 2

3 Algumas Áreas de Utilização da Termodinâmica Aplicada à Engenharia Sistema de propulsão de aeronaves e foguetes Sistemas alternativos de energia Células combustíveis Conversores magneto-hidrodinâmicos Geração de potência por energia térmica dos oceanos, energia das ondas e marés Geração de potência, aquecimento e resfriamento ativados por energia solar Dispositivos termoelétricos Turbinas eólicas Motores de automóveis Aplicações na bioengenharia Aplicações biomédicas Sistemas de combustão Compressores, bombas Resfriamento de equipamentos eletrônicos Sistemas criogênicos, separação e liquefação de gases Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado Refrigeração por absorção e bombas de calor Refrigeração por compressão de vapor e bombas de calor Turbinas a gás e a vapor Produção de potência Propulsão Estação Espacial Internacional 3

4 A termodinâmica (do grego θερμη, therme, significa "calor" e δυναμις, dynamis, significa "potência") é o ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume - e de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em casos menos gerais - em sistemas físicos em escala macroscópica. Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar-se a eficiência das primeiras máquinas a vapor, sendo em essência uma ciência experimental, que diz respeito apenas a propriedades macroscópicas ou de grande escala da matéria e energia. Considerações históricas A breve história da termodinâmica começa com Guericke, que em 1650 projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo, através dos hemisférios de Magdeburgo. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga percepção de que "a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os corpos cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles. otto von guericke 4

5 Logo após este evento, o físico e químico irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em 1656, em coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Com isso foi formulada a Lei de Boyle, a qual estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado com uma tampa fechada hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão ser gerada. Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que o recipiente explodisse devido à alta pressão. Observando o movimento rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a ideia. Foi somente em 1697, baseado nas ideias de Papin, que o engenheiro Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as máquinas fossem brutas e ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina. O texto trouxe as relações energéticas básicas entre a máquina de Carnot, o ciclo de Carnot e a potência motriz. Isto marcou o início da termodinâmica como ciência moderna. 5

6 2. Máquinas Térmicas Uma máquina térmica é um dispositivo cíclico cujo objetivo é converter a maior quantidade possível de calor em trabalho. Essas máquinas contém uma substância de trabalho (água, por exemplo, nas máquinas a vapor). A máquinas a vapor foram inventadas no século XVIII para bombeamento de água em minas de carvão. Hoje em dia, máquinas térmicas são utilizadas para gerar eletricidade. Água líquida sob alta pressão absorve calor de um reservatório de alta temperatura até vaporizar (~500 ºC). O vapor se expande contra um pistão (ou pás de uma turbina) e sai com uma temperatura muito menor. O vapor é resfriado ainda mais no condensador, onde se condensa e libera o calor para um reservatório de baixa temperatura. A água é então bombeada de volta para o aquecedor e aquecida novamente. Diagrama esquemático de uma máquina térmica usada em muitos automóveis. Uma mistura de vapor de gasolina e ar entra na câmara de combustão, enquanto o pistão se move para baixo. A mistura é comprimida e ocorre a ignição por uma faísca. Os gases aquecidos se expandem, levando o pistão para baixo. Na sequência, os gases são expelidos através da válvula de exaustão e o ciclo se repete. 6

7 3. Definindo Sistemas Um passo importante em qualquer análise científica consiste em descrever de forma precisa o que está sendo estudado. Na termodinâmica o termo sistema é usado para identificar o objeto da análise. Uma vez que o sistema é definido e as interações relevantes com os outros sistemas são identificadas, uma ou mais leis físicas são aplicadas. O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar. Ele pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo quanto um refinaria química inteira. Podemos desejar estudar uma quantidade de matéria contida em um tanque fechado e de paredes rígidas, ou considerar algo como o escoamento de gás natural em um gasoduto. A composição da matéria dentro de um sistema pode ser fixa ou variar em função de reações químicas ou nucleares. A forma ou o volume do sistema que está sendo analisado não é necessariamente constante, como no caso de um gás no interior de um cilindro comprimido por um pistão ou quando um balão é inflado. 7

8 Tudo que é externo ao sistema é considerado das vizinhanças do sistema. O sistema é distinguido de suas vizinhanças por uma fronteira especificada, que pode estar em repouso ou em movimento. (veremos que as interações entre o sistema e suas vizinhanças, que ocorrem ao longo da fronteira, representam uma parte importante na termodinâmica aplicada à engenharia). Estudaremos basicamente dois tipos de sistemas: sistemas fechados e volumes de controle. Um sistema fechado refere-se a uma quantidade fixa de matéria, enquanto um volume de controle é uma região do espaço através da qual pode ocorrer fluxo de massa. O termo massa de controle é usado algumas vezes no lugar de sistema fechado, e o termo sistema aberto é usado como alternativa para volume de controle. 3.1 Sistemas Fechados Um sistema fechado é definido quando uma determinada quantidade de matéria encontra-se em estudo. Um sistema fechado sempre contém a mesma quantidade de matéria. Não pode ocorrer fluxo de massa através de suas fronteiras. Um tipo especial de sistema fechado que não interage de modo algum com suas vizinhanças é denominado sistema isolado. Quando as válvulas estão fechadas podemos considerar o gás como um sistema fechado. A fronteira encontra-se somente no interior das paredes do cilindro e do pistão. Como a fronteira entre o gás e o pistão se move com o pistão, o volume do sistema varia. Nenhuma massa atravessa essa fronteira ou qualquer outra parte do contorno. Se a combustão ocorrer, a composição do sistema muda conforme a mistura inicial de combustível se transforma nos produtos da combustão. 8

9 3.2 Volumes de Controle Análises termodinâmicas podem ser realizadas em dispositivos como turbinas e bombas através das quais massa flui, ou seja, pensamos em termos de uma certa região do espaço através da qual há fluxo de massa. Estudamos uma região delimitada por uma fronteira prescrita. Essa região é chamada de volume de controle. A massa pode cruzar a fronteira de um volume de controle. Diagrama de volumes de controle As linhas tracejadas definem o volume de controle que envolve a máquina; Observe que ar, combustível e gases de exaustão atravessam a fronteira. Bio conexões Os seres vivos e seus órgão podem ser estudados como volumes de controle. Para o cachorro da figura, ar, comida e bebida são essenciais para manter a vida e as atividades que entram através da fronteira, e para a saída dos produtos que não serão utilizados. O coração, também podem ser estudados como volume de controle. As plantas podem ser estudadas sob o ponto de vista de volume de controle. A radiação solar é usada para a produção de substâncias químicas essenciais nas plantas por meio da fotossíntese. Durante a fotossíntese as plantas retiram dióxido de carbono da atmosfera e liberam oxigênio para a mesma. As plantas também absorvem água e nutrientes através de suas raízes. 9

10 3.3 Selecionando a Fronteira do Sistema É essencial que a fronteira do sistema seja cuidadosamente delineada antes do procedimento da análise termodinâmica. Mas o mesmo fenômeno físico pode ser analisado com escolhas alternativas do sistema, fronteira e vizinhanças. Em geral, a escolha da fronteira de um sistema é determinada por duas condições: 1) O que é conhecido sobre o possível sistema, particularmente nas suas fronteiras, e 2) O objetivo da análise. EXEMPLO: A figura mostra um compressor de ar conectado a um tanque de armazenamento. A fronteira do sistema engloba o compressor, o tanque e toda a tubulação. Essa fronteira poderia ser outra se a corrente elétrica de alimentação fosse conhecida e o objetivo da análise fosse determinar quanto tempo o compressor deve operar até que a pressão no tanque alcance um valor especificado. 10

11 4. Descrevendo Sistemas e Seus Comportamentos 4.1 Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico da Termodinâmica Os sistemas podem ser estudados sob o ponto de vista macroscópico ou microscópico. A abordagem macroscópica da termodinâmica comportamento geral ou global (também chamada de termodinâmica clássica). Considere um gás em um recipiente (sistema) e um pistão móvel e um bico de Bunsen (vizinhança): como o comportamento do gás é afetado pela ação do pistão e do bico de Bunsen? Escolhermos grandezas observáveis para descrever o comportamento do sistema (pressão, volume, temperatura). Essas grandezas, que são propriedades do sistema como um todo, medidas em operações de laboratório, denominam-se grandezas macroscópicas ou grandezas termodinâmicas. 11

12 Agora do ponto de vista microscópico. A abordagem microscópica da termodinâmica, conhecida como termodinâmica estatística (ou Mecânica Estatística) se preocupa diretamente com a estrutura da matéria. Consideramos grandezas que descrevem os átomos e moléculas que constituem o sistema (velocidades, energias, massas, momentos angulares, comportamentos durante colisões, etc.) Objetivo da termodinâmica estatística caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas que compõem o sistema de interesse e relacionar essa informação com o comportamento macroscópico observado do sistema. As propriedades microscópicas não estão associadas diretamente com nossas percepções sensoriais. Em todo sistema as grandezas macroscópicas e microscópicas estão relacionadas porque elas são, simplesmente, maneiras diferentes de descrever a mesma situação. Em particular, deve ser possível expressar as primeiras em termos das segundas. Exemplo: Pressão de um gás : macroscópico - é medida com um manômetro. microscópico - se relaciona com a taxa média por unidade de área com a qual as moléculas do gás transferem quantidade de movimento ao fluido do manômetro, enquanto colidem contra sua superfície. 12

13 Grandezas termodinâmicas (macroscópicas) e grandezas físicas microscópicas relacionadas Grandeza termodinâmica Grandeza microscópica Relação por Pressão quantidade de movimento média quadrática Volume caminho livre médio somatório Temperatura energia cinética média Energia térmica energia cinética somatório Energia química energia potencial (elétrica) somatório Energia interna energia mecânica somatório Entropia n o de microestados logaritmo 4.2 Propriedades, Estado e Processo Para descrever um processo e prever seu comportamento é necessário o conhecimento de suas propriedades e de como estas propriedades estão relacionadas. Propriedade - característica macroscópica de um sistema, tal como massa, volume, energia, pressão e temperatura, para as quais um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o conhecimento do comportamento prévio do sistema. Estado - refere-se à condição de um sistema como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades de um sistema, com frequência o estado pode ser especificado fornecendo-se o valor de um subconjunto dessas propriedades. 13

14 Processo - quando qualquer uma das propriedades de um sistema é alterada, ocorre uma mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo. Um processo é uma transformação de um estado a outro. Entretanto, se um sistema exibe o mesmo valor de suas propriedades em dois tempos distintos ele está no mesmo estado nesses tempos. Um sistema é dito em regime permanente de nenhuma de suas propriedades varia com o tempo. Muitas propriedades são consideradas no decorrer do curso de Termodinâmica. A termodinâmica também trata de grandezas que não são propriedades, como taxas de vazão mássicas e transferência de energia por trabalho e calor. Uma grandeza é uma propriedade se, e somente se, sua mudança de valor entre dois estados é independente do processo. Os processos termodinâmicos comumente considerados É muitas vezes conveniente para estudar um processo termodinâmico, em que uma única variável, tal como a temperatura, a pressão ou o volume, etc, é mantido fixo. Além disso, é útil agrupar estes processos em pares, em que cada variável é mantida constante como um membro de um par conjugado. Vários processos termodinâmicos comumente estudados são: Processo isobárico: ocorre a pressão constante Processo isocórico: ocorre a volume constante (também chamado isométrica / isovolumétrico) Processo isotérmico: ocorre a uma temperatura constante Processo adiabático: ocorre sem perda ou ganho de energia como calor Processo isentrópico: a entropia permanece constante Processo isentálpico: ocorre a uma entalpia constante Processo isolado: nenhuma matéria ou energia (nem como trabalho nem na forma de calor) é transferido para dentro ou para fora do sistema 14

15 4.3 Propriedades Extensivas e Intensivas As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas em duas classes gerais: extensivas e intensivas. Propriedade extensiva - seu valor para o sistemas com um todo é a soma de seus valores para as partes nas quais o sistema é dividido. Exemplos: massa, volume, energia, etc. As propriedades extensivas dependem do tamanho ou da extensão de um sistema, e podem variar com o tempo. Muitas análises termodinâmicas consistem basicamente em avaliar cuidadosamente as variações de propriedades extensivas, como massa e energia, à medida que o sistema interage com suas vizinhanças. Propriedades intensivas - não são aditivas. Seu valores são independentes do tamanho ou da extensão de um sistema, e podem variar de local para local no interior de um sistema em qualquer momento. Podem ser funções da posição e do tempo, enquanto propriedades extensivas podem variar somente com o tempo. Exemplos: volume específico, pressão, temperatura. 15

16 EXEMPLO: Considere uma porção de matéria com a temperatura uniforme e imagine que ela é composta de várias partes. A massa do conjunto é a soma das massas das partes; O volume total é a soma dos volumes das partes; A temperatura do todo não é a soma da temperatura das partes, é a mesma em toda a parte; Massa e volume são propriedades extensivas; Temperatura é uma propriedade intensiva. 16

17 4.4 Equilíbrio Termodinâmica estados de equilíbrio e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro. Em mecânica, equilíbrio significa uma condição de estabilidade mantida por uma igualdade de forças que se opõem. Em termodinâmica o conceito é mais abrangente. Cada tipo de influência refere-se a um aspecto particular ou geral do equilíbrio termodinâmico, entre estes estão os equilíbrios mecânico, térmico, de fase e químico. Teste para verificar se o sistema está em equilíbrio termodinâmico: isole o sistema de suas vizinhanças e aguarde por mudanças em suas propriedades observáveis. Se não ocorrerem mudanças, concluímos que o sistema estava em equilíbrio no momento em que foi isolado. Pode-se dizer que o sistema está em um estado de equilíbrio. Quando um sistema está isolado, ele não pode interagir com suas vizinhanças. Entretanto, seu estado pode mudar como uma consequência de eventos espontâneos que estejam ocorrendo no seu interior, à medida que suas propriedades intensivas, tais como temperatura e a pressão, tendam a valores uniformes. Quando todas essas mudanças cessam o sistema está em equilíbrio. No equilíbrio a temperatura é uniforme ao longo do sistema. Também a pressão pode ser considerada uniforme (desde que o efeito da gravidade não seja significativo, caso contrário, pode existir uma variação de pressão, como uma coluna vertical de líquido). Não há exigência de que um sistema que passa por um processo esteja em equilíbrio durante o processo. Estados intermediários podem ser estados de não equilíbrio. Para muitos processos apenas conhecemos d estado antes de o processo ocorrer e o estado depois que o processo é completado. 17

18 A termodinâmica confirma nossa experiência cotidiana do fluir do tempo: existe passado, presente e futuro, e os fenômenos na natureza, que presenciamos durante nossa vida, são irreversíveis. Por exemplo, se deixamos cair um copo de vidro no chão, ele se quebra. Este fenômeno não é reversível, isto é, na natureza não é possível acontecer como num filme rodado ao contrário, onde o copo quebrado no chão pode, no final da cena, acabar inteiro na nossa mão. Para discutir a irreversibilidade dos fenômenos, introduziu-se o conceito de equilíbrio termodinâmico. De acordo com a termodinâmica, todos os sistemas tendem para o equilíbrio. De fato, o equilíbrio é por definição o último estado atingido por um sistema livre de perturbações; é uma raridade universal. É importante apenas como um guia de comportamento, isto é, como uma indicação da direção em que caminham os fenômenos naturais. Esta direção é realmente o problema fundamental da termodinâmica. Dado um certo conjunto de condições iniciais e se soubermos que o sistema caminhará espontaneamente para o equilíbrio, poderemos prever o estado de equilíbrio. 18

19 O equilíbrio de um sistema está sempre associado a uma medida ou a um conjunto de medidas feitas no sistema em estudo. Se, por exemplo, não há nenhum movimento, devido ao completo equilíbrio de forças, foi atingido o equilíbrio mecânico. Se a composição química em todos os pontos não se modifica com o tempo, o sistema estará em equilíbrio químico. 0 equilíbrio térmico está associado à ausência de fluxo térmico, devido ao fato de que a temperatura é a mesma, em todos os pontos do sistema. Quando todas as variáveis que especificam o estado termodinâmico permanecem inalteradas, isto é, não mudam com o tempo, o sistema atingiu equilíbrio termodinâmico. No equilíbrio nada muda, é a imobilidade completa do sistema. Daí a dificuldade de conseguirmos um sistema deste tipo no universo em que vivemos. O universo é, portanto, longe do equilíbrio. Bons Estudos prof.sergio Turano 19