Termodinâmica e Sistemas Térmicos. Prof. M.Sc. Guilherme Schünemann

Transcrição

1 Termodinâmica e Sistemas Térmicos Prof. M.Sc. Guilherme Schünemann

2 Introdução o que é termodinâmica Termo refere-se ao calor Dinâmica força ou movimento Atualmente é uma ciência que trata da transformação de todas as formas de energias As aplicações dessa ciência são baseadas em Propriedades simples Pressão, Temperatura, Volume, Composição Química e Massa Motores, refrigeração, uso do petróleo, celulose, tratamento de minérios, etc.

3 Histórico Usos da energia Domínio do fogo Tecnologias para uso do vento na propulsão de navios/moinhos Conversão de calor em trabalho (força x deslocamento)... Máquinas térmicas de Newcomen (1712) e de Watt (1763) Desenvolvimento de motores

4 A máquina de Newcomen (1712) 1. Injeção de vapor em alta pressão e temperatura no pistão 2. Condensação do vapor por meio da injeção de água fria, criando vácuo parcial no pistão 3. Ação da pressão atmosférica contra o pistão, gerando força de tração da haste 4. Reinício do ciclo Conversão de calor em trabalho mecânico

5 Sistemas e volumes de controle Sistema quantidade de matéria selecionada para o estudo de sua energia Vizinhança massa ou região fora do sistema Fronteira interface que separa o sistema de sua vizinhança

6 Sistemas e volumes de controle Sistema aberto permite fluxo de matéria e de energia Sistema fechado permite fluxo de energia, mas não de matéria Sistema isolado não permite fluxo de matéria nem de energia

7 Sistemas e volumes de controle Fronteira permeável permite fluxo de matéria Fronteira impermeável não permite o fluxo de matéria Fronteira diatérmica permite o fluxo de calor Fronteira adiabática não permite o fluxo de calor Fronteiras podem ser móveis ou fixas, reais ou imaginárias

8 Sistemas e volumes de controle Volume de controle trata-se de um sistema aberto que envolve fluxo de massa Massa de controle sinônimo de sistema fechado Nesses casos, as fronteiras passam a se chamar superfície de controle

9 Pontos de vista microscópico e macroscópico Podemos abordar o que acontece em um sistema sob dois pontos de vista Microscópico leva em conta todas as interações atômicas da matéria que compõe o sistema Macroscópico leva em conta os efeitos gerais ou médios das várias moléculas do sistema A termodinâmica se baseia no ponto de vista macroscópico, uma vez que não está interessada em descrever o comportamento de CADA MOLÉCULA ciência empírica Os sistemas são estudados em condição de equilíbrio foto do estado inicial, foto do estado final

10 Estado e propriedades de uma substância Uma substância pode existir sob diversas formas (ou fases) sólida, líquida, gasosa Uma fase é uma quantidade de matéria totalmente homogênea Em uma mesma fase, a substância pode existir a várias pressões e temperaturas, ou seja, em vários estados Cada estado pode ser descrito por um certo conjunto de propriedades Temperatura [graus Celsius, Kelvin] Pressão [atm, bar, Pa, mmhg] Massa específica ou densidade [kg/m³] As propriedades das substâncias impactam nas propriedades de todo o sistema

11 Revisão de grandezas físicas e unidades Igualdade de temperatura dois corpos possuem igualdade de temperatura quando não apresentam mudanças em suas propriedades mensuráveis quando colocados em equilíbrio térmico Lei 0 da termodinâmica quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, pode-se dizer que esses dois corpos possuem igualdade de temperatura entre si Tc = Tf = Tk 273 5

12 Revisão de grandezas físicas e unidades Massa medida em gramas ou seus múltiplos [g] Comprimento medido em metros ou seus múltiplos [m] Força massa x aceleração [N = 1kg. m/s²]. F = m. a Ex1 Qual é o peso de um corpo que apresenta massa igual a um kg em um local em que a aceleração da gravidade vale 9,75 m/s²? E se o corpo tivesse 10 kg? Volume específico volume ocupado pela unidade de massa que se está trabalhando [uc³]. v = V/m Massa específica (densidade) massa associada à unidade de volume [g/cm³]. ρ = 1/v

13 Revisão de grandezas físicas e unidades Ex2 o recipiente da figura, com volume interno de 1 m³, contém 0,12 m³ de granito, 0,15 m³ de areia e 0,2 m³ de água líquida a 25 ºC. O restante do volume interno do recipiente é ocupado por ar, que apresenta massa específica de 1,15 kg/m³. Determine o volume específico médio e a massa específica da mistura contida no recipiente. R: v = 0, m3 kg ; ρ = 755,0 kg m 3 Dados: ρ granito = 2750 kg/m³ ρ areia = 1500 kg/m³ ρ água = 997 kg/m³

14 Revisão de grandezas físicas e unidades Energia capacidade de um corpo, substância ou sistema físico tem de realizar trabalho: Energia pode ser térmica, elétrica, solar, nuclear A energia assume as formas potencial e cinética Pressão força aplicada por uma corpo/substância sobre uma área [Pa, bar, atm, lbf/in², mmhg]. P = F/A 1 Pa = 1 N/m² 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = Pa

15 Revisão de grandezas físicas e unidades Pressão absoluta é a pressão total que atua sobre um sistema. Para um ponto no interior de um fluido (gás ou líquido): P abs = P externa + ρ. g. h ρ densidade ou massa específica do fluido do sistema g aceleração da gravidade h distância entre pontos do fluido Princípio de Stevin estabelece que diferença de pressão entre dois pontos de um fluido é dada por P = ρ. g. h

16 Exercícios