Aplicação
Por que estudar Termodinâmica? Na Produção de Energia... Nas No altas seu tecnologias carro...... Na sua casa... Até mesmo... em você!!! Porque ela está presente em tudo!!!
Termodinâmica Intuição: Calor em movimento Therme (calor) Dynamis (potência)
Termodinâmica Clássica x Estatística Termodinâmica Clássica: Carnot Kelvin Clausius Termodinâmica Estatística: Maxwell (teoria cinética dos gases), Boltzmann (versão probabilística da entropia), Gibbs (mecânica estatística).
A Termodinâmica Clássica Avalia o comportamento geral ou global de sistemas de interesse; Visão macroscópica; Não utiliza modelos da estrutura da matéria em nível molecular e atômico; Abordagem mais direta para a maioria do problemas; Complexidade matemática bem menor.
A Termodinâmica Estatística Avalia a estrutura da matéria; Abordagem microscópica; Estuda o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relaciona isto com a abordagem macroscópica.
SISTEMA DE UNIDADES Grandezas Fundamentais massa Forma um sistema de unidades absoluto Tempo + comprimento + força Forma um sistema de unidades técnico
SISTEMA DE UNIDADES SI (Sistema Inter. de Unid.) (MKS) (Sistema Inglês de Unidades) (FPS) Quantidade Unidade Símbolo Unidade Símbolo massa quilograma kg libra-massa lb comprimento metro m pé ft tempo segundo s segundo s força newton (= 1 kg.m/s²) N libra-força (= 32,1740 lb.ft/s²) lbf
SISTEMA DE UNIDADES unidade SI (MKS) CGS MK*S (Sist.Técn.) ISP (Sistema técnico inglês) FSP (British Imperial System) Tempo s s s s s Distância m cm m in ft Massa kg g Utm Slug Força N dyn (Dina) kgf Tipo LMT Absoluto LMT Absoluto LFT Gravitacional Pound force (lbf) ou libra força LFT Gravitacional Pound (lb ou lbm-libramassa) Poundal (pdl) LMT Absoluto Múltiplos Decimal Decimal Decimal Não decimal Não decimal * 1 slug = 32,174048 libras avoirdupois Sistema gravitacional (ou técnico): qualquer sistema que use o peso e não a massa como unidade fundamental
Vantagem do SI: SISTEMA DE UNIDADES Sistema simples e lógico Base decimal Usado em quase todo o mundo 1 m = 100 cm = 1000 mm 1 (cm) = 1 (10-2 m) 1 (mm) =1 (10-3 m) Desvantagem do Sistema Inglês: Relações arbitrárias entre unidades Sem base numérica sistemática Usado principalmente nos USA e Inglaterra 1 légua = 3 milhas 1 yd = 3 ft 1 milha = 1760 yd 1 ft = 12 in
CONVERSÕES DE UNIDADES 1 kg = 2,2046 lb 1 lb = 0,4536 kg 1 m = 3,2808 ft 1 ft = 0,3048 m 1 ft 3 = 0,028317 m 3 1 m 3 = 35,315 ft 3 1 lbf = 4,4482 N 1 N = 0,22481 lbf T( o R) = 1,8 T (K) T( o C) = T(K) 273,15 T( o F) = T( o R) 459,67
CONVERSÕES DE UNIDADES 1 J = 1 N.m 1 cal = 4,1868 J 1 Btu = 1,0551 kj 1 hp = 746 W 1 kwh = 3600 kj 1 lb (libra-massa)=0,45359237 kg
PREFIXOS SISTEMA SI Nome Símbolo Fator de multiplicação da unidade yotta Y 10 24 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 zetta Z 10 21 = 1 000 000 000 000 000 000 000 exa E 10 18 = 1 000 000 000 000 000 000 peta P 10 15 = 1 000 000 000 000 000 tera T 10 12 = 1 000 000 000 000 giga G 10 9 = 1 000 000 000 mega M 10 6 = 1 000 000 quilo k 10³ = 1 000 hecto h 10² = 100 deca da 10 deci d 10-1 = 0,1 centi c 10-2 = 0,01 mili m 10-3 = 0,001 micro µ 10-6 = 0,000 001 nano n 10-9 = 0,000 000 001 pico p 10-12 = 0,000 000 000 001 femto f 10-15 = 0,000 000 000 000 001 Atto a 10-18 = 0,000 000 000 000 000 001 zepto z 10-21 = 0,000 000 000 000 000 000 001 yocto y 10-24 = 0,000 000 000 000 000 000 000 001
The 'root cause' of the loss of the spacecraft was the failed translation of English units into metric units in a segment of ground-based, navigation-related mission software. Arthur Stephenson, NASA chairman of the Mars Climate Orbiter Mission Failure Investigation Board, 1999
SISTEMA Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar; Vizinhança é tudo aquilo que é externo ao sistema; O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento.
Exemplo de um Sistema Fronteira Sistema Vizinhança
Tipos de Sistema Fechados: quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo; Isolado: é um sistema fechado que não interage com suas vizinhanças; Aberto (Volume de controle): uma região do espaço através da qual a massa pode escoar; Fronteira também é denominada superfície de controle.
Volume de Controle
Exemplos de tipos de sistemas Válvulas Fechadas Sistema fechado (massa de controle) Volume de controle (sistema aberto)
Fronteiras do Sistema É essencial que a fronteira do sistema seja cuidadosamente delineada antes do procedimento da análise termodinâmica.
Propriedades Característica macroscópica do sistema, para os quais pode ser definido um valor numérico em dado tempo sem o conhecimento do comportamento prévio (histórico) do sistema. A temperatura, o volume, e a massa das pedras de gelo são exemplos de propriedades.
Propriedades extensivas e intensivas
Propriedades extensivas e intensivas A massa total é a soma das massas das partes A temperatura é a mesma para cada parte
Estado Condição de um sistema descrito por suas propriedades. Processo Quando qualquer propriedade do sistema é alterada ocorre uma mudança de estado. Ou seja, o sistema percorreu um processo. Regime Permanente Nenhuma das propriedades do sistema varia com o tempo.
Propriedades e não-propriedades Reforçando o conceito de propriedade: Uma grandeza é uma propriedade se, e somente se, sua mudança de valor entre dois estados é independente do processo.
Hipótese do Continuum
Hipótese do Continuum
Propriedades intensivas importantes Volume específico θ = 1 ρ Pressão Temperatura
Outras propriedades Número de mols (n) n = m M [mol]; [kmol]; [lbmol] Massa molar (M) [kg/kmol] [g/mol] [lb/lbmol] Volume molar v Mv [m 3 /kmol] [ft 3 /lbmol] Massa Específica ρ = m V Peso Específico γ = ρ. g Densidade d = ρ ρ @
Pressão Com a hipótese do meio contínuo, considera-se uma pequena área A. O fluído de um dos lados desta área exerce uma força compressiva. E o do outro lado exerce uma força igual. Assim tem-se: Pressão 1 pascal = 1 N/m² 1 KPa = 10³ N/m² 1 bar = 10 5 N/m² 1 MPa = 10 6 N/m² 1 atm = 1,01325x10 5 N/m² p lim normal ' A A F A Menor área para a qual vale a hipótese do contínuo Força de compressão
Medindo Pressão Manômetro Tubo Bourdon Sensor Piezoelétrico
Pressão Absoluta e Relativa Os dispositivos freqüentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo de medida. A magnitude dessa diferença é chamada pressão manométrica, relativa ou pressão de vácuo. p( manomética) p( abs) p ( abs) atm p( vácuo) p ( abs) p( abs) atm
Pressão Absoluta e Relativa
Pressão Absoluta e Relativa
Variação da Pressão com a Profundidade dp dz = ρ. g ρ=cte e g=cte P = P + γ. h
Barômetro P = P + γ. h P = P = γ. h
Pressão e profundidade
Princípio de Pascal
Comparação das Escalas
Escala Celsius o T ( C) T ( K) 273,15 o T ( C) T ( K)
Escala Rankine e Fahrenheit Escala Rankine o T ( R) 1,8 T ( K) Escala Fahrenheit o o T ( F) T ( R) 459,67 o o T ( F) 1,8 T ( C) 32
Escalas de temperatura As escalas são definidas por um valor numérico associado a um ponto fixo padrão; A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da água como padrão fixo; O ponto triplo da água é 273,16 kelvins, e o intervalo entre o ponto de gelo e o ponto de vapor d água 373,15 kelvins é 100 K; A escala de gás é derivada destes conceitos, e leva em consideração a pressão do gás de um termômetro de gás, conforme a relação: T 273,16lim p p tp
Estado de equilíbrio É uma condição de estabilidade utópica; Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.
Estado de equilíbrio Do não-equilíbrio para o equilíbrio térmico
Postulado de Estado Não é necessário a descrição de todas as propriedades do sistema para especificar seu estado. O estado de um sistema compressível simples é completamente especificado por duas propriedades intensivas independentes.
Postulado de Estado As propriedades se relacionam entre si. Matematicamente, dizemos que, da lista de propriedades: T, P, V, v, u, c p, etc algumas delas são capazes de estabelecer os valores que as demais deverão assumir. Ou seja: T=f(v,P) P=f(v,T) etc.
Processo
Processo de Quase-Equilíbrio
Processo de Quase-Equilíbrio
Processo de Quase-Equilíbrio
Ciclo Termodinâmico Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se inicia e termina em um mesmo estado Processo Processo
Ciclo Termodinâmico
Regime Permanente Se nenhuma propriedade muda com a variação do tempo: o sistema está em regime permanente Tempo t = 0 * onde Φ é uma propriedade qualquer.
Imagine dois corpos um mais quente que o outro, podese então definir: Temperatura Calor Interação térmica, quando os dois corpos trocam calor; Equilíbrio térmico, quando não há troca de calor; Se dois corpos estão em equilíbrio, logo eles possuem a mesma temperatura; Processo adiabático, quando o processo é isolado e não interage com suas vizinhanças; Processo isotérmico, quando o processo ocorre a temperatura constante.
Lei Zero da Termodinâmica
Lei Zero da Termodinâmica A lei zero da termodinâmica diz que se dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si. Este terceiro corpo é usualmente um termômetro, que utiliza uma propriedade termométrica para medir a temperatura de um dado corpo.
Termômetros Termômetro de bulbo Termômetro de gás Termopar
Exercícios sugeridos (APS1) Ex.1 - (1.24) O volume específico do vapor d água a 0,3 MPa e 160ºC é dado por 0,651 m 3 /kg. Se o vapor d água ocupa um volume de 2 m 3, determine a quantidade presente em kg e kmol e o número de moléculas. (R: 3,07kg; 0,17kmol; 1,02x10 26 moléculas) Ex.2 (1.25) Quinze quilos de dióxido de carbono (CO 2 ) são introduzidos em um cilindro que possui volume de 20 m 3 e inicialmente contêm 15 kg de CO 2 a pressão de 10 bar. Mais tarde ocorre uma fissura no cilindro e o gás vaza lentamente. Determine: a) O volume específico [m 3 /kg] de CO 2 no início e depois da adição dos 15 kg (R. 1,33 e 0,67 [m 3 /kg]) b) Esboce graficamente a quantidade de CO 2 que vaza do cilindro em kg versus o volume específico do CO 2 restante no cilindro. Considere que o volume específico varia até 1,0 m 3 /kg (no máximo). Ex.3 (1.31) Um gás contido em um conjunto pistão-cilindro sofre três processos em série: - Processo 1-2: compressão com p.v=constante, partindo de p 1 =1bar, V 1 =1,0 m 3 até V 2 =0,2 m 3 - Processo 2-3: expansão a pressão constante até V 3 =1,0 m 3 - Processo 3-1: volume constante Esboce os processos em série em um diagrama p-v, atribuindo valores para pressão e volume em cada estado.
Exercícios sugeridos (APS1) Ex.4 (1.30) Um gás inicialmente a 1 bar ocupando um volume de 1 litro é comprimido no interior de um conjunto pistão-cilindro até a pressão de 4 bar. a) Se a relação entre a pressão e o volume durante a compressão é dada por p.v=constante, determine o volume em litros para uma pressão de 3 bar. Trace também o processo global em um gráfico pressão versus volume; b) Repita a análise para uma relação linear pressão-volume entre os mesmos estados finais. Ex.5 (1.42) Um conjunto pistão cilindro orientado horizontalmente contêm ar quente. O ar é resfriado lentamente partindo do volume inicial de 0,003 m 3 até o volume final de 0,002 m 3. Durante o processo uma mola exerce uma força que varia linearmente do valor inicial de 900 N até o valor final correspondente a zero. A pressão atmosférica é de 100 kpa, e a área frontal do pistão é de 0,018 m 2. O atrito entre o pistão e a parede do cilindro pode ser desprezado. Para o ar contido no interior do conjunto cilindropistão determine a pressão inicial e final, ambas em kpa. (R. 150 kpa e 100 kpa)
Exercícios sugeridos (APS1) Ex.6 (1.43) Um conjunto pistão cilindro orientado verticalmente contêm ar. Uma mola é conectada sobre o topo do pistão de 10 kg e exposta a pressão atmosférica de 1 bar. Inicialmente a base do pistão está em x=0 e a mola exerce uma força desprezível sobre o mesmo. A válvula é aberta e ar entra no cilindro pela linha de alimentação, causando um aumento no volume no ar de 3,9x10-4 m 3. A força exercida pela mola conforme o ar expande no interior do cilindro varia linearmente com F=k.x com k=10.000 N/m. A área da face do pistão é de 7,8x10-3 m 2. Desprezando o atrito entre o pistão e as paredes do cilindro, determine a pressão do ar no interior do cilindro, em bar, quando o pistão está na posição inicial e na posição final. (R. 1,126 bar e 1,767 bar)
Projeto de Engenharia e Análise Um projeto de engenharia é um processo de tomada de decisão, que considera inúmeros fatores condicionados para se resolver um problema, ou atender a uma necessidade ou oportunidade; Para se realizar uma análise termodinâmica é preciso a definição do sistema e das interações com suas vizinhanças. Também é preciso criar um modelo de engenharia, que é uma representação simplificada do problema.
Metodologia para solução de problemas DADO : Enuncie de forma concisa em suas próprias palavras o que se conhece; PEDE-SE : Enuncie concisamente em suas próprias palavras o que deve ser determinado; DIAGRAMAS E DADOS FORNECIDOS : Desenho um esboço do problema. Veja se é um sistema fechado ou volume de controle, identifique as fronteiras. Liste todos os valores fornecidos e antecipe alguns que podem ser necessários;
Metodologia para solução de problemas HIPÓTESES : Liste todas as hipóteses simplificadoras e idealizações feitas a fim de tornar o problema viável; ANÁLISE : Trabalhe o máximo possível com as equações antes de inserir os dados numéricos. Identifique as tabelas, gráficos ou equações para as propriedades que forneçam os valores desejados. Verifique cuidadosamente se o sistema de unidades é consistente. Finalmente pondere se os valores finais e sinais algébricos são razoáveis.
Referências MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002. ÇENGEL, Y.; BOLES, M.A. Thermodynamics: na engineering approach. 7th ed, McGraw-Hill, 2011.