Aula 02 : EM-524 Capítulo 2 : Definições e Conceitos Termodinâmicos 1. Termodinâmica Clássica; 2. Sistema Termodinâmico; 3. Propriedades Termodinâmicas; 4. As propriedades termodinâmicas pressão, volume e temperatura; 5. Mudanças de estado; 6. Equilíbrio termodinâmico; 7. Processos reversíveis; 8. Calor; 9. Trabalho;
1. Termodinâmica Clássica Termodinâmica estatística : abordagem microscópica ou molecular; utiliza uma pequena quantia de substância para o estudo e tenta descrever o comportamento de cada molécula; Abordagem macroscópica : utiliza um número muito grande de moléculas de tal forma que os valores médios das propriedades podem ser definidos para descrever o comportamento de uma substância; os fluidos são tratados como um contínuo; Iremos usar a abordagem macroscópica, entretanto a abordagem microscópica será utilizada para a explicação de um fenômeno físico particular.
2. Sistema Termodinâmico (1) Definido como a quantidade de massa escolhido para a análise termodinâmica; O sistema é separado da vizinhança pela fronteira; Temos uma quantidade fixa de massa dentro do sistema; Fronteira pode ser fixa ou se movimentar no espaço; Escolha da posição da fronteira pode simplificar a análise; Apenas energia que cruza a fronteira do sistema : calor e/ou trabalho;
2. Sistema Termodinâmico (2) Quando há entradas / saídas de massa a análise termodinâmica deve ser realizada considerando um volume de controle; Sistema isolado : fronteira escolhida de tal modo que não ocorre transferência de energia com a vizinhança; Sistema homogêneo : massa distribuída uniformemente ao longo do volume do sistema, se a massa não está distribuída uniformemente o sistema é dito heterogêneo;
3. Propriedades Termodinâmicas Propriedade termodinâmica pode ser definido como sendo uma característica observável de uma substância; As propriedades termodinâmicas são divididas em duas categorias: Propriedades extensivas : dependem da quantidade de massa do sistema (ex : volume); Propriedades intensivas : não dependem da quantidade de massa do sistema (ex : Pressão e Temperatura); Estado termodinâmico de um sistema é a sua condição como descrito pelas suas características físicas, isto é, suas propriedades; o estado pode ser determinado quando as propriedades independentes para aquele sistema forem especificadas;
4. As propriedades termodinâmicas pressão, volume e temperatura (1) Pressão : em meio fluido é a força exercida por unidade de área normal a fronteira (P = F / A); Pressão é positiva quando dirigida para fora da fronteira; Pressão é sempre a mesma em qualquer ponto de um sistema fluido em equilíbrio; A propriedade termodinâmica pressão é uma pressão absoluta; Manômetros indicam pressão manométrica / efetiva (diferença entre a pressão do sistema e a do ambiente); P = P m + P ambiente, ou P abs = P efetiva + P atm Quando pressão manométrica for negativa, indica que o sistema está em vácuo;
4. As propriedades termodinâmicas pressão, volume e temperatura (2) Volume : propriedade extensiva; volume específico v = V/m : (propriedade intensiva); densidade (ρ = 1 / v); Volume especifico e mais utilizado em termodinâmica; Densidade é mais utilizado em mecânica dos fluidos e transferência de calor; Temperatura : medida através de um termômetro; Lei zero da termodinâmica: quando quaisquer dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo então eles estão em equilíbrio térmico entre sí; T (K) = (t) o C + 273,15 ; Ponto de ebulição da água : 100 o C na P atm =101,3 kpa; Notar que uma diferença de temperatura em ambas as escalas é numericamente igual;
5. Mudança de Estado Sistema executa um processo quando muda de um estado para outro; Os estados intermediários entre os estados inicial e final definem o caminho desse processo; Exemplo: mudança de pressão no pneu de 0,4 MPa para 0,1 MPa (processo isotérmico), considerando a massa de ar como sendo o sistema; Uma série de processos pode ser executado, de tal forma que o sistema retorna para o estado inicial. Esta série de processos é chamado de ciclo termodinâmico;
6. Equilíbrio termodinâmico (1) Um sistema é dito em equilíbrio termodinâmico quando é incapaz de uma troca espontânea de estado, mesmo quando submetido a uma pequena ou grande perturbação; Equilíbrio termodinâmico requer que o sistema esteja em equilíbrio térmico, mecânico e químico; Equilíbrio térmico: temperatura uniforme; Equilíbrio mecânico: pressão uniforme; Equilíbrio químico: sistema é incapaz de mudança espontânea de composição; Exemplo: uma mistura hidrogênio e oxigênio podem constituir um sistema, mas este sistema não está em equilíbrio termodinâmico pois é capaz de uma mudança de estado se for submetido a uma faísca;
6. Equilíbrio termodinâmico (2) Processo quase-estático : pressupõe que o sistema esteja em completo equilíbrio termodinâmico, assim o caminho do processo pode ser mostrado em qualquer diagrama formado por propriedades termodinâmicas, uma vez que o sistema é assumido estar em equilíbrio e as suas propriedades estão definidas; Processos lentos : processos quase-estáticos, ou seja desvios do equilíbrio termodinâmico são pequenos; Processos rápidos : podem se desviar do equilíbrio; podem estar em equilíbrio apenas nos estados inicial e final, mas o caminho do processo não pode ser mostrado em um diagrama formado por propriedades termodinâmicas, por que suas propriedades não podem ser definidas quando o sistema não está em equilíbrio. Por exemplo: i) fornecendo calor em uma fronteira do sistema a temperatura pode não estar em completo equilíbrio e ii) o movimento de uma fronteira do sistema pode provocar perturbações na pressão do sistema;
7. Processos reversíveis Se um processo puder ser revertido completamente em todos os detalhes, seguindo exatamente o mesmo caminho originalmente percorrido, então diz-se que o processo é reversível (nenhuma evidência na vizinhança ou no sistema indica que o processo tenha ocorrido); Condição necessária, mas não suficiente : processo quase-estático; Se processo for muito rápido os estados intermediários não estarão em equilíbrio termodinâmico e o processo não será reversível; Processos reversíveis : não existem na realidade mas é útil para apresentar um caso limite; Casos reais x casos ideais permitem uma medida de eficiência; Fatores de irreversibilidade : atrito, rápida expansão / compressão, outros estudados no assunto 2 a lei da termodinâmica;
8. Calor (1) Energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura e que não está associada com transferência de massa; 1 o : Um sistema ou um volume de controle não possui calor, mas a energia é identificada como calor apenas quando esta cruza a fronteira ou superfície de controle; Calor não pode ser armazenado e deve ser convertido para alguma outra forma de energia depois de cruzar a fronteira; 2 o : Transferência de energia devido ao transporte de massa não é calor (fluxo que cruza a fronteira do sistema); 3 o : potencial que induz a troca de calor deve ser a diferença de temperatura; Calor não é energia armazenada ou possuída pelo sistema portanto não é uma propriedade (propriedade = característica observável), os estados 1 e 2 não possuem uma quantidade de calor; Calor : depende do caminho (diferencial inexata);
8. Calor (2) Calor será positivo se energia for adicionada ao sistema ( 1 Q 2 = 100 kj); Calor será negativo se energia for retirado do sistema ( 1 Q 2 = -100 kj); Processo em que não ocorre troca de calor é chamado adiabático ( 1 Q 2 = 0); Taxa de troca de calor : kj/s = kw; Taxa de troca de calor por unidade de massa : kj/kg; Troca de calor : convecção, condução e radiação; Convecção : envolve o escoamento de um fluido, entretanto este fluido escoa paralelo a superfície (não cruza a superfície de controle por onde a troca de calor está ocorrendo) troca de calor independente de qualquer fluxo de massa através da superfície de controle;
9. Trabalho Definido como forma de energia em trânsito não associada com transferência de massa, e devido a uma diferença de potencial que não seja temperatura; Trabalho : força x deslocamento; Trabalho não é algo armazenado ou possuído pelo sistema portanto não é uma propriedade (característica observável); Trabalho é positivo quando é produzido pelo sistema (energia que deixa o sistema); Trabalho é negativo quando é realizado sobre o sistema (energia acrescentada ao sistema); Taxa de transferência de energia como trabalho : kj/s = kw, comumente chamado de potência; Unidade de trabalho = unidade de calor;
Trabalho Mecânico Trabalho mecânico: δ W = F.dS = P.A.dS = P.dV; Para integrar a equação acima a pressão na fronteira deve ser igual a pressão do sistema (equilíbrio), portanto o processo deve ser quase-estático. Se a pressão permanecer cte durante o processo 1-2, pode-se integrar a equação de imediato; Normalmente alguma relação funcional entre P e V é necessária; Quando se calcula o trabalho mecânico durante um processo reversível, um diagrama P x V mostrando o caminho do processo é útil, a área sombreada = Figura ilustra que o trabalho é função do caminho; Figura permite comparar processos; 2 1 W 2 = P.dV 1 2 1 W 2 = P.dV 1
Outros tipos de trabalho Trabalho elétrico; Trabalho para torcionar um eixo; Trabalho magnético; Trabalho associado a uma compressão de mola; Para se verificar se qualquer tipo de trabalho está presente deve-se verificar a fronteira do sistema. Por exemplo i) se existir uma força e um deslocamento da fronteira então o trabalho mecânico está presente, ii) se houver condutores elétricos pode haver trabalho elétrico, etc.
Trabalho Irreversível As equações deste capítulo utilizadas para calcular a magnitude do trabalho servem apenas para processos reversíveis; O trabalho realizado sobre o processo de compressão de um gás em um dispositivo tipo pistão-cilindro deve ser calculado de acordo com a integral P.dV se o processo for reversível, mas se o processo for irreversível o trabalho realizado será maior do que para o caso reversível e não será facilmente calculado; Trabalho devido as forças de atrito é sempre irreversível; Trabalho de pás em um gás tomando o sistema como sendo o gás é sempre irreversível, ou seja o trabalho realizado pelas pás sobre um gás não pode ser revertido (gás devolva a energia e faça as pás se movimentarem). A magnitude do trabalho não pode ser calculado pela integral P.dV. Na verdade o valor da integral é zero, isto indica que não há trabalho reversível, ou seja todo o trabalho é irreversível;
Sugestão de Leitura Capítulo 2 do livro texto;