DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA Aula 1. Prof. Robson Alves de Oliveira

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1 DISCIPLINA AMB30093 TERMODINÂMICA Aula 1 Prof. Robson Alves de Oliveira robson.aoliveira@gmail.com.br robson.oliveira@unir.br Ji-Paraná

2 CONTEÚDOS PROGRAMÁTICOS 1. Conceitos e definições Sistema termodinâmico e o volume de controle; Pontos de vista macroscópico e microscópico; Estado e propriedades de uma substância; Processos e ciclos; Unidades de massa, tempo e força; Energia; Volume específico e massa específica; Pressão; Igualdade de temperatura; A lei zero da termodinâmica; Escalas de Temperatura. 2. Propriedades de uma substância pura A substância pura; Equilíbrio entre fases; Propriedades independentes de uma substância pura; Comportamento P-V-T dos gases; Fator de compressibilidade; Equações de estado. 2

3 CONTEÚDOS PROGRAMÁTICOS 3. Trabalho e calor Definição de trabalho; Unidades de trabalho; Trabalho realizado na fronteira móvel de um sistema simples compressível; Outras formas de realização de trabalho em sistemas; Definição de calor; Modos de transferência de calor; Comparação entre calor e trabalho. 4. A Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a Volumes de Controle Conservação da massa e o volume de controle, a primeira Lei da termodinâmica para um volume de controle; o processo em regime permanente; Exemplos de processos em regime permanente; Processo em regime transiente. 3

4 CONTEÚDOS PROGRAMÁTICOS 5. Segunda Lei da Termodinâmica Motores térmicos e refrigeradores; Segunda Lei da Termodinâmica; O processo reversível; Fatores que tornam irreversível um processo; O ciclo de Carnot; Máquinas reais e ideais; Desigualdade de Clausius; Entropia: uma propriedade do sistema; Entropia para uma substância pura; Variação de entropia em processos reversíveis; Variação de entropia num sólido ou líquido; Variação de entropia num gás ideal; Processo politrópico para um gás ideal; Variação de entropia do sistema durante um processo irreversível; Geração de entropia; princípio do aumento de entropia. 4

5 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO A avaliação da disciplina será realizada por meio de: 1 Três (3) avaliações em sala de aula, individuais e sem consulta de material no valor total de 100 pontos cada uma (N 1, N 2 e N 3 ). Somente poderão ser consultadas fórmulas cedidas pelo professor. A média final será obtida por meio da expressão: MF = (N 1 + N 2 + N 3 )/3 Se MF 60 o aluno estará aprovado. Se MF < 60 o aluno fará avaliação repositiva nos termos regimentais da UNIR. A freqüência mínima para aprovação é de 75% da carga horária da disciplina. Para mais informações consultar a Resolução 251/CONSEPE, de 27 de novembro de 1997 que regulamenta o sistema de avaliação discente da UNIR. 5

6 BIBLIOGRAFIA DA DISCIPLINA BÁSICA: Fundamentos da Termodinâmica - Tradução da 7 a edição americana. Autores: Richard E. Sonntag, Claus Borgnakke. Editora Blucher, Termodinâmica - 5ª Ed Autores: Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. Editora: Mcgraw-hill Interamericana Fundamentos da Termodinâmica clássica - Tradução da 4ª edição americana. Autores: Wylen, G. V.; Sonntag, R. E. & Borgnakke, C. Editora Edgard blucher LTDA, Termodinâmica amistosa para Engenheiros - Autor: Octave Levenspiel. Editora Edgard Blucher. Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6ª edição. Autores: Michael J. Moran, Howard N. Shapiro. Editora LTC COMPLEMENTAR: Smith, J. M.; Ness, H. C. V. & Abbott, M. M. Fundamentos à Termodinâmica da 6 Engenharia Química. Sétima Edição. LTC Editora, 2007

7 DATA AULAS 2º SEMESTRE DE 2014 Aula 1 22/08 Aula 12 17/10 (Sexta) Aula 2 25/08 Aula 13 20/10 Aula 3 01/09 Aula 14 27/10 Aula 4 08/09 Aula 15 03/11 Aula 5 12/09 (Sexta) Aula 16 10/11 Aula 6 15/09 Aula 17 17/11 (Sexta) Aula 7 22/09 Aula 18 24/11 Aula 8 26/09 Aula 19 01/12 Aula 9 29/09 Aula 20 08/12 Aula 10 06/10 Aula 21 15/12 Aula 11 13/10 7

8 DATAS IMPORTANTES 2º SEMESTRE DE º Semestre de 2014 Início 18/08/2014 2º Semestre de 2014 Término 17/12/2014 Sábados letivos: 1ª Avaliação: 29 de setembro 2ª Avaliação: 03 de novembro 3ª Avaliação: 08 de dezembro Avaliação repositiva: 15 de dezembro Horário de atendimento: sexta-feira (8:30 as 12:00) 8

9 : Conceitos e definições

10 1.1 INTRODUÇÃO Termodinâmica: é a ciência da energia. Provém do grego therme (calor) e dynamis (potência ou energia). A energia pode ser entendida como a capacidade de causar alterações no ambiente. A Termodinâmica é a parte da física que estuda os fenômenos relacionados com a energia (trabalho e calor), e as leis que governam os processos de conversão de energia. Inclui ainda a geração de potência, a refrigeração e as relações entre as propriedades da matéria. As descobertas da termodinâmica foram formalizadas por meio de leis básicas: a Primeira e a Segunda da Termodinâmica (além da chamada Lei zero). 10

11 1.1 INTRODUÇÃO O frasco com auto-fluxo de Robert Boyle 11

12 Algumas aplicações da Termodinâmica: Centrais termoelétricas Célula combustível Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Refrigerador termoelétrico Equipamento de decomposição do ar Turbina a gás Motor de foguete Objetivo do aluno: obter uma compreensão dos fundamentos da Termodinâmica e a habilidade para aplicação desses fundamentos na solução de problemas. 12 (FONTE: Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6ª Ed. Moran & Shapiro)

13 1.2 - SISTEMA TERMODINÂMICO Em qualquer estudo de Engenharia o primeiro passo é descrever precisamente o que está sendo estudado. Na termodinâmica um Sistema Termodinâmico é o termo utilizado para identificar o objeto em estudo. Ou seja, é uma quantidade de matéria, ou uma região no espaço, escolhida para análise. Ele pode ser tão simples como um corpo livre ou tão complexo como uma refinaria de petróleo. 13

14 1.2 - SISTEMA TERMODINÂMICO (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles; Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6ª Ed. Moran & Shapiro; Fundamentos da Termodinâmica - 7ª Ed. Sonntag & Borgnakke) Tudo que é externo ao sistema é considerado como sendo parte do ambiente ou vizinhanças do sistema. O sistema é separado das vizinhanças pelas fronteiras do sistema, que podem ser fixas, móveis, reais ou imaginárias. Os sistemas podem ser fechados ou abertos. 14

15 1.3 - SISTEMA FECHADO E SISTEMA ABERTO Sistema fechado (massa de controle): tem uma quantidade fixa de massa, ou seja, não há fluxo de massa através das fronteiras do sistema. (Nenhuma massa pode entrar ou sair de um sistema fechado). Energia, na forma de calor e trabalho, pode cruzar sua fronteira. O volume de um sistema fechado não precisa ser fixo. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) Um tipo especial de sistema fechado (que não interage de forma alguma com as vizinhanças) é chamado de um sistema isolado. Num sistema isolado, a energia (na forma de calor e trabalho) não cruza a fronteira do sistema. 15

16 Na figura abaixo a superfície interna do cilindro + embolo são a fronteira do sistema. É um sistema fechado (sem fluxo de massa). Energia pode cruzar a fronteira do sistema. Tudo que esta fora do gás, inclusive o embolo e o cilindro são as vizinhanças. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) Em Engenharia é muito comum a análise de equipamentos que apresentam um escoamento de massa para dentro ou para fora do sistema. Nestes casos especifica-se um Volume de Controle (ou sistema aberto) que envolve o equipamento a ser considerado. 16

17 A superfície desse volume de controle é chamada de superfície de controle (real ou imaginária). Tanto a massa como a energia podem cruzar a fronteira de um volume de controle. (FONTE: Princípios de Termodinâmica para Engenharia 6ª Ed. Moran & Shapiro) 17

18 Na figura (a) temos um exemplo de um Volume de Controle com fronteiras reais e imaginárias. A superfície internado bocal é a parte real da fronteira. As áreas de entrada e saída formam a parte imaginária (não há superfície física). O volume de controle pode ser fixo em tamanho e forma, como é o caso da figura (a), ou ter uma fronteira móvel como é o caso da figura (b). Na figura (c) vemos que energia pode cruzar a fronteira de um volume de controle. Um sistema fechado é definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa e um volume de Controle quando a análise envolve fluxo de massa. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) 18

19 1.4 - PONTO DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO A pressão de um gás contra as paredes de um balão é o resultado de transferência de momento (quantidade de movimento) entre as moléculas quando estas colidem com as paredes do balão. Não é necessário conhecer o comportamento das partículas do gás para determinar a pressão no balão. Bastaria colocar um medidor de pressão no balão. Sob o ponto de vista macroscópico, não estamos interessados na ação isolada de uma molécula, mas na força média, em relação ao tempo, que atua sobre certa área e que pode ser medida com um manômetro. 19

20 1.4 - PONTO DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO Neste caso estamos interessados no comportamento geral ou global, o que é chamado de Termodinâmica clássica. Embora o comportamento dos sistemas seja afetado pela estrutura molecular, na Termodinâmica clássica os efeitos mais importantes podem ser avaliados partindo da observação do sistema global. Um enfoque mais elaborado, baseado no comportamento médio dos átomos é estudado pela Teoria Cinética e Mecânica Estatística, que utiliza uma abordagem estatística. Este enfoque microscópico é bastante complicado e não será estudado nesta disciplina. 20

21 1.4 - PONTO DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO Enfoque microscópico: Diâmetro de uma molécula de oxigênio é 3 x m. Sua massa é de 5,3 x kg. Existem cerca de 3 x moléculas de oxigênio num pequeno volume de 1mm 3 (a pressão de 1 atm e temperatura de 20 o C). É preciso três coordenadas para descrever a posição de cada átomo; É preciso três componentes para definir o vetor velocidade; Para lidar com esse sistema ter-se-á pelo menos 3 x equações Tarefa árdua!!! 21

22 1.5 - MEIO CONTÍNUO É muito conveniente na Termodinâmica clássica não levar em consideração a natureza atômica de uma substancia e considerá-la com uma matéria contínua, homogênea e sem nenhum espaço vazio, ou seja, um meio contínuo. Esse conceito de meio contínuo é apenas uma hipótese. Apesar disso, a premissa de um meio contínuo é válida e conveniente em vários trabalhos de Engenharia. Diâmetro de uma molécula de oxigênio é 3 x m. Sua massa é de 5,3 x kg. O Livre caminho médio do oxigênio a pressão de 1 atm e temperatura de 20 o C é de 6,3 x 10-8 m. Isso significa que uma molécula de oxigênio "viaja" uma distância de 6,3 x 10-8 m, antes de se chocar com outra. (Umas 200 vezes o seu diâmetro). 22

23 1.5 - MEIO CONTÍNUO Apesar das grandes distâncias entre as moléculas, uma substância pode ser tratada como um meio contínuo por causa do grande número de moléculas que existem, mesmo em um volume extremamente pequeno. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) 23

24 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA Uma dada massa de água pode existir sob diferentes formas (fases): Sólida, Líquida, Gasosa. Uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea. Quando mais de uma fase coexistem: estas se separam entre si por meio das fronteiras das fases. Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas, ou usando a terminologia da Termodinâmica, em vários estados. Representação de um estado termodinâmico (FONTE: 24

25 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA Qualquer característica (macroscópica observável) de um sistema se chama propriedade. Algumas propriedades mais familiares são pressão, temperatura, volume específico e massa específica. Outras menos familiares são: viscosidade, condutividade térmica, módulo de elasticidade, coeficiente de expansão térmica. Cada uma das propriedades de uma substância, num dado estado, apresenta somente um determinado valor. (FONTE: 25

26 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA As propriedades têm sempre o mesmo valor para um dado estado, independentemente da forma pela qual a substância chegou ate ele. Ou seja, alterando-se o valor de uma propriedade, o estado altera-se para outro diferente. (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) A propriedade é uma quantidade que depende do estado do sistema e é independe do caminho (ou seja da história) pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. 26

27 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA Quantas propriedades são necessárias para definir o estado de um sistema? Postulado de estado: O estado de um sistema compressível simples é completamente especificado por duas propriedades intensivas independentes. O postulado de estado requer que duas propriedades especificadas sejam independentes para que o estado seja definido. O que são duas propriedades independentes? Duas propriedades são independentes se uma puder ser variada enquanto a outra é mantida constante. A temperatura e o volume específico são propriedades independentes e podem ser utilizadas para definir um estado termodinâmico. 27

28 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA As propriedades podem ser classificadas como: Propriedades Intensivas: são independentes da massa do sistema. Exemplo: temperatura, pressão, massa específica. Propriedades Extensivas: variam diretamente com a massa do sistema. Exemplo: volume total e a massa total. Se um sistema é dividido em duas partes, cada parte terá o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valor das propriedades extensivas da massa original. 28

29 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) Comumente as letras maiúsculas são utilizadas para representar as propriedades extensivas (com exceção da massa m) e as letras minúsculas para as intensivas (com exceção da pressão P e da temperatura T, em alguns livros). 29

30 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA Propriedades extensivas por unidade de massa são chamadas de propriedades específicas. Exemplo: Volume específico (volume por unidade de massa; v = V/m) Energia específica total (energia por unidade massa; e = E/m) Na Termodinâmica clássica nos referimos não apenas às propriedades de uma substância, mas também as propriedade de um sistema. Isso implica, necessariamente, que o valor da propriedade tem significância para todo o sistema, o que implica no conceito de equilíbrio. Sistema em equilíbrio: a propriedade é a mesma em todo o sistema. 30

31 1.6 - ESTADO E PROPRIEDADE DE UMA SUBSTÂNCIA Exemplos: Equilíbrio térmico a temperatura é a mesma em todo o sistema. Nesse caso, a temperatura é uma propriedade do sistema. Equilíbrio mecânico a pressão é a mesma em todo o sistema. Nesse caso, a pressão é uma propriedade do sistema. Equilíbrio químico a composição química do sistema não se altera com o tempo. Equilíbrio termodinâmico o sistema está em equilíbrio em relação a todas as mudanças de estado (FONTE: Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) 31

32 1.7 - PROCESSOS E CICLOS Quando o valor de pelo menos uma propriedade do sistema é alterado, dizemos que ocorreu uma mudança de estado. Exemplo: retirada de pesos no esquema abaixo. (pressão decresce e o volume específico aumenta) (FONTE: Fundamentos da Termodinâmica - 7ª Ed. Sonntag & Borgnakke) O caminho definido pela sucessão de estados que o sistema percorre é chamado de processo. Ou seja, qualquer mudança de um estado de equilíbrio a outro experimentado por um sistema é um processo e a série de estados pelos quais passa um sistema durante este processo é um caminho (uma trajetória). 32

33 1.7 - PROCESSOS E CICLOS (Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) No instante em que se retira um peso, o equilíbrio mecânico deixa de existir, o pistão se move para cima até que o equilíbrio seja reestabelecido. Pergunta: Uma vez que as propriedades descrevem o estado de um sistema apenas quando ele está em equilíbrio, como podemos descrever os estados de um sistema durante um processo, se o processo real só ocorre quando não existe equilíbrio? Para responder a pergunta devemos definir um processo ideal de quase-equilíbrio. 33

34 1.7 - PROCESSOS E CICLOS Neste processo o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio. Um processo deste tipo deve ser lento para permitir que o sistema se ajuste de modo que as propriedades de uma de suas partes não mudem mais rápido que nas outras. Exemplo: Quando um gás num cilindro é comprimido de forma repentina as moléculas se concentram numa pequena região frontal ao êmbolo, de modo que ali se criará uma região de alta pressão. (Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) Como resultado dessa diferença de pressão não se pode dizer que o sistema esta em equilíbrio. 34

35 (Termodinâmica - 5ª Ed Cengel & Boles) PROCESSOS E CICLOS Se o êmbolo se move lentamente, não há concentração de moléculas em frente ao êmbolo, como resultado a pressão dentro do cilindro será uniforme e aumentará com a mesma rapidez em todos os lugares. Como o equilíbrio se mantém todo o tempo, se trata de um processo de quase-equilíbrio. (FONTE: Fundamentos da Termodinâmica - 7ª Ed. Sonntag & Borgnakke) Exemplo: Se os pesos do pistão são pequenos e forem retirados um a um, o processo pode ser considerado de quase-equilíbrio. Processo ideal processo de quase equilíbrio Mudanças infinitesimais Processos de não-equilíbrio sistema sob mudanças 35 bruscas Sistema descrito antes e após o processo.

36 1.7 - PROCESSOS E CICLOS Muitos processos reais se aproxima bastante e podem ser modelados como de quase-equilíbrio. Os Engenheiros se interessam por este tipo de processo por duas razões: Primeiro porque são fáceis de serem analisados. Em segundo, porque os dispositivos que produzem trabalho operam com processos de quase-equilíbrio. Os diagramas de processos traçados utilizando-se de propriedades termodinâmicas em forma de coordenadas são muito úteis para se ter uma representação visual do processo. 36

37 1.7 - PROCESSOS E CICLOS Algumas propriedades comumente utilizadas como coordenadas são a temperatura (T), a pressão (P) e o volume específico (v). Alguns processos de denominação própria pelo fato de que a propriedade se mantém constante. O prefixo iso é usado para tal. Observe que a trajetória (caminho) do processo indica uma série de estados de equilíbrio pelos quais passa o sistema durante um processo. Processo isotérmico: temperatura constante Processo isobárico: pressão constante Processo isocórico (ou isométrico): volume constante Processo adiabático: calor não é transferido para o sistema 37

38 1.7 - PROCESSOS E CICLOS Quando o sistema num dado estado inicial, passa por um certo número de mudanças de estado, ou processos, e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executa um ciclo. Dessa forma, no final do ciclo todas as propriedades apresentam os mesmos valores iniciais. Exemplo: a água que circula numa instalação termoelétrica a vapor executa um ciclo. Deve ser feita uma distinção entre ciclo termodinâmico, acima descrito e um ciclo mecânico: Ciclo termodinâmico: o fluido de trabalho percorre um ciclo. Exemplo: fluido em um sistema de refrigeração Ciclo mecânico: o fluido se modifica durante o ciclo. Exemplo: motor de combustão interna. Neste caso o ar e o combustível reagem e, transformado em produtos de combustão, são descarregados na atmosfera. 38

39 CONTINUA... 39