EM34F Termodinâmica A

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1 EM34F Termodinâmica A Prof. Dr. André Damiani Rocha arocha@utfpr.edu.br Aula 01 Parte II: Introdução

2 2 Aula 01 Definição de Termodinâmica A termodinâmica é a ciência da energia; O nome Termodinâmica deriva do grego termo (calor) e dinâmica (potência). Descreve os primeiros esforços para converter calor em potência; Atualmente, o mesmo nome possui uma interpretação mais ampla incluindo aspectos de energia e transformações de energia, incluindo geração de potência, refrigeração e relações entre as propriedades da matéria.

3 3 Aula 01 Definição de Termodinâmica Uma das lei mais fundamentais da natureza é a conservação de energia. Ela simplesmente estabelece que durante uma interação, energia pode mudar de uma forma para outra porém, a quantidade de energia permanece constante. Isto é, a energia não pode ser criada ou destruída.

4 4 Aula 01 Aplicações da Termodinâmica Alguns exemplos são: o Motores automotivos o Turbinas à vapor o Turbinas à gás o Compressores o Bombas o Propulsão de Aeronaves e Foguetes o Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado o Sistemas de Arrefecimento

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6 6 Aula 01 Definições e Conceitos Sistema Termodinâmico o O sistema é tudo aquilo que se deseja estudar; o Pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo como uma refinaria química inteira; o Pode-se desejar estudar uma quantidade de matéria contida em um tanque fechado, de paredes rígidas ou considerar algo como o escoamento de gás natural em um gasoduto. o A composição da matéria dentro de um sistema pode ser fixa ou variar em função de reações químicas ou nucleares.

7 7 Aula 01 Definições e Conceitos Sistema Termodinâmico o Tudo 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. o Existem 2 tipos de sistemas: Vizinhança Sistema fechado Sistema Sistema aberto Fronteira

8 8 Aula 01 Definições e Conceitos Sistema Termodinâmico Massa não cruza a a fronteira do sistema; A fronteira pode se movimentar. Somente energia, na forma de calor e trabalho, cruza as fronteiras de um sistema fechado.

9 Aula 01 Sistema fechado com fronteira móvel

10 Aula 01 Sistema Termodinâmico: Volumes de Controle Massa e Energia cruzam a fronteira do sistema A fronteira geralmente não se movimenta

11 Aula 01 Sistema Termodinâmico: Sistema isolado Um sistema isolado é aquele onde o calor e o trabalho não cruzam a fronteira.

12 Aula 01 Propriedades Para descrever um sistema e prever seu comportamento é necessário o conhecimento de suas propriedades e de como estas propriedades estão relacionadas; Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema, tal como massa, volume, energia, pressão e temperatura; As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas em duas classes gerais: Extensivas e Intensivas;

13 Aula 01 Propriedades Extensivas Uma propriedade é chamada de extensiva se seu valor para o sistema como um todo é a soma de seus valores para as partes as quais o sistema é dividido; As propriedades extensivas de um sistema dependem do tamanho ou extensão do sistema; As propriedades extensivas podem variar com o tempo; Alguns exemplos: Massa, Volume e Energia;

14 Aula 01 Propriedades Intensivas Propriedades intensivas não são aditivas (como no caso de propriedades extensivas); Seus valores são independentes do tamanho ou extensão de um sistema; Podem variar de local para local no interior de um sistema em qualquer momento ; Exemplos: Pressão e Temperatura

15 Aula 01 Estado Refere-se à condição de um sistema como descrito por suas propriedades Processo Quando qualquer uma das propriedades de um sistema é alterada, ocorre uma mudança de estado; Diz-se, então, que o sistema percorreu um processo; Um processo é uma transformação de um estado a outro; Alguns processos conhecidos: Isobárico, Isotérmico, Isentrópico, Adiabático e etc;

16 Aula 01 Equilíbrio O sistema está em equilíbrio se suas propriedades não mais se alteram em qualquer ponto do sistema; Também é conhecido como equilíbrio termodinâmico ; De uma forma geral, podemos citar 4 tipos de equilíbrio, são eles: Térmico: Temperatura não muda com o tempo; Mecânico: Pressão não muda com o tempo; Químico: Estrutura molecular não muda com o tempo; Fase: Composição não muda com o tempo.

17 Aula 01 Ciclo Termodinâmico O ciclo termodinâmico consiste em uma série de processos que retornam o sistema ao estado inicial.

18 Aula 01 Massa Específica ( ) Em uma perspectiva macroscópica, a descrição da matéria é simplificada quando se considera que ela é uniformemente distribuída ao longo de uma região; A validade dessa idealização é conhecida como hipótese do contínuo; Quando as substâncias podem ser tratadas como meios contínuos é possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas em um ponto ; Assim, em qualquer instante a massa específica ( ) em um ponto é definida como, m lim

19 Aula 01 Volume Específico ( ) O volume específico é definido como o inverso da massa específica, v 1 Assim como a massa específica, o volume específico é uma propriedade intensiva e pode variar ponto a ponto. Líquidos e gases possuim comportamentos diferentes sob condições de variação de pressão e temperatura. Veja as tabelas a seguir com alguns exemplos:

20 Aula 01 Base Molar Em certas aplicações é conveniente expremir propriedades como o volume específico em uma base molar, em vez de uma base mássica; O mol corresponde a uma quantidade de uma determinada substância numericamente igual ao seu peso molecular; kmol quilomol lbmol libra-mol

21 Aula 01 Base Molar Em cada caso será usado, n m M O número de quilomols (n), de uma substância é obtido dividindose a massa (m), em kg, pelo peso molecular (M), em kg/kmol ; Analogamente, o número de libra-mols (n) é obtido dividindo-se a massa(m), em lb, pelo peso molecular (M), em lb/lbmol. Lembre-se que: o número de moléculas em um grama-mol (número de Avogrado) é 6,022x10 23.

22 Aula 01 Propriedades Físicas de Alguns Líquidos Liquido Temperatura [oc] Massa específica ( ) [kg/m3] Viscosidade dinâmica ( ) [Pa.s] Álcool Etílico ,19E-3 Gasolina 15, ,1E-4 Glicerina ,50 Mercúrio ,57E-3 Água do Mar 15, ,20E-3 Água 15, ,12E-3

23 Aula 01 Propriedades Físicas de Alguns Gases Gás Temperatura [oc] Massa específica ( ) [kg/m3] Viscosidade dinâmica ( ) [Pa.s] Ar (Padrão) 15 1,23 1,79E-5 Dióxido de Carbono 20 1,83 1,47E-5 Hélio 20 1,66E-1 1,94E-5 Hidrogênio 20 8,38E-2 8,84E-6 Gás Natural 20 6,67E-1 1,10E-5 Oxigênio 20 1,33 2,04E-5

24 Aula 01 Peso Específico ( ) é definida como o peso da substância contida numa unidade de volume. g

25 Definições & Conceitos Pressão (P) Os manômetros e os barômetros medem a pressão em temos de um comprimento de uma coluna de líquido, tal como mercúrio, a água ou o óleo; Manômetro p p atm gl

26 Definições & Conceitos Pressão (P) Os manômetros e os barômetros medem a pressão em temos de um comprimento de uma coluna de líquido, tal como mercúrio, a água ou o óleo; Barômetro p atm p vapor m gl

27 Definições & Conceitos Pressão (P) Manômetro tipo tubo de Bourdon

28 Definições & Conceitos Pressão (Atmosférica, Absoluta e Manométrica) Força normal exercida sobre uma área

29 Definições & Conceitos Sistema de Unidades Unidade de Pressão no S.I. é Pascal 1 Pa = 1N/m 2 1 kpa = 1000N/m 2 1 bar = N/m 2 1 MPa = N/m 2

30 Definições & Conceitos Sistema Britânico (Bristh System) lbf/in 2 ou psi, usualmente com o sufixo a para pressão absoluta (absolute) e com o sufixo g para pressão manométrica (gage). Psia Absolute Pressure Psig Gage Pressure psig 150

31 Definições & Conceitos Pressão Atmosférica 1atm = psia = Pa = 760mmHg P(abs) = P(man) + Patm

32 Definições & Conceitos Prefixo das Unidades SI Fator Prefixo Símbolo Fator Prefixo Símbolo tera T 10-2 centi v 10 9 giga G 10-3 mili m 10 6 mega M 10-6 micro 10 3 quilo k 10-9 nano n 10 2 hecto h pico P

33 Definições & Conceitos Temperatura

34 Definições & Conceitos Temperatura - Relações T( o R) = T( o F) + 459,67 T(K) = T( o C) + 273,15