CAPÍTULO 1
1 CAPÍTULO 1 CONCEITOS BÁSICOS DA TERMODINÂMICA SUMÁRIO Cada ciência tem um vocabulário próprio e a Termodinâmica não é excepção. Definições precisas dos conceitos básicos no desenvolvimento da Ciência evitam mal entendidos. Neste capítulo, revêm-se os sistemas de unidades e são explicados os conceitos básicos da Termodinâmica tais como sistema, energia, propriedade, estado, processo, ciclo, pressão e temperatura. O estudo cuidadoso destes conceitos é essencial para uma boa compreensão dos tópicos dos capítulos seguintes.
2 1.1. Dados históricos A Termodinâmica surgiu com o aparecimento da primeira máquina a vapor. As primeiras referências a esta ciência surgem associadas aos trabalhos de Thomas Savery (1697, Inglaterra) e Thomas Newcomen (1742, Inglaterra). No ano de 1850, através de trabalhos de William Rankine, Rudolph Clausins, e Lord Kelvin (William Thomson), surgem, simultaneamente, as 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. O termo Termodinâmica foi pela 1ª vez utilizada numa publicação de Lord Kelvin em 1849. O primeiro livro de Termodinâmica foi escrito em 1859 por William Rankine, professor da Universidade de Glasgow. 1.2. Termodinâmica e energia A Termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. Apesar de todos terem a ideia do que é energia, é difícil dar uma noção precisa deste conceito. Energia pode ser encarada como a capacidade de causar transformações. A palavra Termodinâmica é originária do idioma grego, em que a palavra therme significa calor e dynamics significa potência. Actualmente a mesma palavra engloba todos os aspectos de energia e a sua transformação, incluindo produção de potência, refrigeração e a relação entre as propriedades da matéria. Uma das leis fundamentais da natureza é o princípio da conservação da energia. Afirma-se, simplesmente, que durante uma interacção, a energia pode mudar de uma forma para outra mas a quantidade total de energia mantêm-se constante. A energia não pode ser criada ou destruída, pode apenas ser transformada (Figura 1.1.).
3 PE = 10 uni. Ke = 0 PE = 7 uni. Ke = 3 uni. Consumo de energia (5 unidades) Armazenamento de energia (1 unidade) Saida de energia (4 unidades) Figura 1.1. Princípio da conservação da energia A 1ª lei da Termodinâmica é simplesmente uma expressão do princípio da conservação da energia e, consequentemente, a energia é uma propriedade termodinâmica. A 2ª lei da Termodinâmica estabelece que a energia tem qualidade bem como quantidade, e os processos existentes ocorrem na direcção de decréscimo da qualidade da energia. O calor só pode fluir de corpos quentes para corpos frios (Figura 1.2.). CAFÉ QUENTE Figura 1.2. O calor só pode fluir de corpos quentes para corpos frios É conhecido que uma substância contem um elevado número de partículas designadas por moléculas. As propriedades das substâncias naturalmente dependem da composição dessas partículas. A pressão de um gás num recipiente é resultante da frequência do movimento (choque) entre as moléculas e as paredes do recipiente. Mas não necessitamos de conhecer o comportamento das moléculas do gás para determinar a pressão exercida pelo gás no recipiente.
4 Esta abordagem macroscópica ao estudo da Termodinâmica, que não necessita do conhecimento do comportamento individual das partículas, é designada por Termodinâmica Clássica. Fornece um caminho simples para a solução dos problemas de engenharia. Uma abordagem mais elaborada baseado no comportamento médio (grandes grupos de partículas) é designada por Termodinâmica Estatística. Esta abordagem microscópica servirá, neste curso, apenas como suporte. 1.3. Áreas de aplicação da Termodinâmica Qualquer actividade de engenharia envolve a interacção entre energia e a matéria. Uma boa compreensão dos princípios da Termodinâmica tem sido sempre essencial para uma boa formação num curso de engenharia. Na Figura 1.3. estão exemplificadas algumas áreas onde os princípios da Termodinâmica são largamente aplicados. Corpo humano Sistemas de ar condicionado Aviões Automóveis Centrais eléctricas Sistemas de refrigeração Figura 1.3. Aplicações da Termodinâmica
5 1.4. Dimensões e unidades As unidades fundamentais são a massa m, comprimento L, tempo t e a temperatura T. UNIDADES FUNDAMENTAIS massa, m comprimento, L tempo, t temperatura, T Outras unidades, como a velocidade V, energia E, volume v, etc, designamos por unidades derivadas. Unidades S.I. (Sistema Internacional) DIMENSÃO Comprimento Massa Tempo Temperatura Corrente eléctrica Quantidade de luz Quantidade de matéria UNIDADE metro (m) quilograma (kg) segundo (s) kelvin (K) ampere (A) candela (c) mole (mol) É do senso comum que todas as equações têm de ser homogéneas dimensionalmente, o mesmo acontecendo na Termodinâmica, ou seja, cada termo de uma equação tem que ter, obrigatoriamente, as mesmas unidades. Se numa determinada altura nos depararmos a resolver uma equação em que os seus termos apresentam unidades diferentes, então podemos concluir que nos enganámos nalgum cálculo. Deste modo, a verificação das unidades pode servir como uma ferramenta bastante valiosa para a detecção de erros. Ex: E = 25 KJ + 7 KJ/kg (equação não homogénea dimensionalmente)
6 1.5. Sistemas fechados e abertos Um sistema termodinâmico, ou simplesmente um Sistema, é definido como a quantidade de matéria ou região do espaço seleccionado para o nosso estudo. A superfície real ou imaginária que separa o sistema dos arredores é designada por fronteira (Figura 1.4.). ARREDORES Fronteira SISTEMA Figura 1.4. Fronteira que delimita um sistema A fronteira pode ser fixa ou móvel. Os sistemas podem ser considerados fechados ou abertos, dependendo se a massa é fixa ou volume fixo no espaço escolhido para o estudo. Um sistema fechado, designado também por controlo de massa, consiste numa quantidade fixa de massa, e não há transferência de massa através da fronteira. Isto quer dizer que num sistema fechado não entra nem sai massa do sistema (Figura 1.5.). Figura 1.5. - Sistema fechado No entanto, a energia na forma de trabalho ou calor pode ser transferida
7 através da fronteira. Portanto, o volume num sistema fechado não têm que ser fixo (Figura 1.6.). Figura 1.6. Sistema fechado com uma fronteira móvel Se, no caso especial, não houver transferência de energia através da fronteira o sistema é designado por isolado. Um sistema aberto, ou controlo de volume, é uma região seleccionada no espaço; normalmente engloba equipamentos que envolvem fluxo de massa tais como: compressores, turbinas, tubeiras, etc. O fluxo através destes sistemas é melhor compreendido delimitando uma região de controlo de volume. Tanto a energia como a massa podem fluir de e para o sistema (Figura 1.7.). Superfície de controlo Controlo de volume massa SIM Saída de água quente Água quente (Controlo de volume) energia SIM Entrada de água fria Tanto a massa e a energia fluem através do sistema Sistema aberto com uma entrada e uma saída Figura 1.7. Sistema aberto ou controlo de volume RESUMO
8 Neste capítulo foram introduzidos e explicados os conceitos básicos da Termodinâmica. A Termodinâmica é uma ciência que lida principalmente com fluxos de energia. A 1ª Lei da Termodinâmica não é mais do que o princípio da conservação da energia e define energia como uma propriedade termodinâmica. A 2ª Lei da Termodinâmica define que a energia tem quantidade e qualidade e que todos os processos ocorrem no sentido do decréscimo da qualidade da energia. Um sistema de massa constante é chamada de Sistema fechado ou Controlo de massa onde apenas ocorrem fluxos de energia, quer na forma de calor, quer na forma de trabalho. Um sistema que envolve transferência de massa e energia chama-se Sistema aberto ou Controlo de volume. À soma de todas as formas de energia de um sistema dá-se o nome de energia total a qual engloba a energia cinética, energia interna e energia potencial. Um sistema diz-se em equilíbrio termodinâmico se mantiver um equilíbrio térmico, mecânico, de fases e químico. Qualquer alteração de um estágio para outro chama-se processo. A um processo onde o estágio de partida é igual ao estágio de chegada chama-se ciclo. O estado de um sistema compressível é perfeitamente definido por duas propriedades intensivas e independentes. A pressão é definida como a força por unidade de massa e a sua unidade é o pascal. Para medir uma diferença de pressões (baixas) usa-se um manómetro onde a altura da coluna de fluído h corresponde à diferença de pressão: P = ρgh, onde ρ é a densidade do fluído e g a aceleração gravitacional. A pressão atmosférica é medida com recurso a um barómetro: P atm = ρgh, onde h representa a coluna de líquido acima da superfície livre. As escalas de temperatura usadas no Sistema Internacional e no Inglês são as escalas Celsius e Fahrenheit, respectivamente. A escala de temperatura absoluta usada pelo SI é a escala Kelvin, sendo as suas relações as seguintes: T(K) = T(ºC) + 273,15 T(R) = T(ºF) + 459,67 onde, T(K) = T(ºC) T(R) = T(ºF)