Universidade Federal do ABC BC1309 Termodinâmica Aplicada Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto ana.neto@ufabc.edu.br Bloco A, torre 1, sala 637 Conceitos Fundamentais 1
Conceitos Fundamentais Termodinâmica: estuda as relações entre as transferências de energia de e/ou para um sistema e as mudanças em suas propriedades (temperatura, pressão, volume, etc.). É um ramo da física e também uma ciência da engenharia. O interesse na engenharia é estudar os sistemas e como estes interagem com o meio. Para isso, estende-se o conceito de sistema, incluindo aqueles através dos quais há fluxo de massa. O objetivo da engenharia é obter projetos otimizados, com melhor desempenho e eficiência, além de menor impacto ambiental. Conceitos Fundamentais Sistema; Volume de controle; Propriedades Termodinâmicas; Equilíbrio; Estado, Processo e Ciclo Termodinâmicos; Substância Pura; Temperatura; Pressão; Volume Específico e Densidade; Unidades do SI. 2
Sistemas Sistema Sistema: uma parte determinada do universo, na qual estamos interessados. Vizinhança Sistema Fronteira Vizinhança: a partir do momento em que definimos o sistema, chamamos o resto do universo de vizinhança. Fronteira: superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança (fixa ou móvel). 3
Tipos de Sistemas Fechado (sistema): é aquele que não troca massa com a sua vizinhança, mas pode trocar energia. Aberto (volume de controle): é aquele que pode trocar tanto massa como energia com a sua vizinhança. Isolado: é aquele que não pode trocar energia com a sua vizinhança. Sistema Sistema: é aquele que não troca massa com a sua vizinhança, mas pode trocar energia. Calor (Q) Fronteira Trabalho (W) massa Vizinhança 4
Volume de Controle Volume de Controle: é aquele que pode trocar tanto massa como energia com a sua vizinhança. me Calor (Q) Trabalho (W) mvc Fronteira Vizinhança ms Propriedades Termodinâmicas 5
Propriedades Termodinâmicas Para definir um sistema completamente, precisamos entender certas variáveis experimentais: Pressão Volume Temperatura Composição Qualquer característica de um sistema é chamada de propriedade. As propriedades podem ser classificadas como: Intensivas: são independentes da massa de um sistema; Extensivas: são valores que dependem do tamanho (ou extensão) do sistema. Propriedades Termodinâmicas Características macroscópicas do sistema ou do volume de controle: Intensivas Extensivas temperatura pressão densidade volume total energia interna entalpia Estas variáveis coletivamente descrevem: entropia Estado Termodinâmico 6
Propriedades Termodinâmicas m, V, T, P, ρ ½ m, ½ V, T, P, ρ ½ m, ½ V, T, P, ρ Equilíbrio 7
Equilíbrio Termodinâmico Um sistema está em equilíbrio termodinâmico com seu meio (vizinhança), dentro das condições a que está submetido, se é incapaz de uma mudança espontânea, enquanto não variarem essas condições. CONDIÇÕES: Equilíbrio Térmico Equilíbrio Mecânico Equilíbrio de Fase Equilíbrio Químico (temperatura igual em todo sistema) (não há variação de pressão) (massa constante de cada fase) (composição não muda com o tempo) Estado, Processo e Ciclo Termodinâmico 8
Estado Termodinâmico É a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades. Primeiro Postulado da Termodinâmica O estado de um sistema constituído por uma substância simples pode ser especificado por completo somente indicando o valor de duas propriedades termodinâmicas. Temperatura Pressão Tabelas Gráficos Energia interna específica Entalpia específica Entropia específica Volume específico Equações de Estado Processo Termodinâmico Toda mudança pela qual um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro é chamada de processo. Isotérmico: temperatura permanece constante. Isobárico: pressão permanece constante. Isocórico: volume permanece constante. Adiabático: não há troca de calor. Mudança do estado termodinâmico! 9
Processo Termodinâmico Estado 1 Processo B Estado 2 Processo A Processo C Ciclo Termodinâmico Sistema parte de um dado estado inicial, percorre diferentes estados termodinâmicos, através de diferentes processos termodinâmicos, e retorna ao mesmo estado inicial. 10
Ciclo Termodinâmico A Estado 1 Estado 2 B G Estado 3 F D Estado 4 E Ciclo 1: A-B-C-E-G Ciclo 2: B-C-D Ciclo 3: B-C-E-F Estado 5 C Substância Pura 11
Substância Pura Substância Pura: substância que possui uma composição química fixa em toda sua extensão. Fase: qualquer estado físico da matéria. Sólido Líquido Gasoso Temperatura 12
Temperatura É algo subjetivo! Frio Quente Temperatura Melhor definir a chamada igualdade de temperatura. Lei Zero da Termodinâmica Quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. 13
Temperatura A CONDUTOR I S O L A N T E B CONDUTOR C Se os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico com o sistema C, então os sistemas A e B encontram-se em equilíbrio térmico entre si. Medidas de Temperatura Antes de usar a temperatura como uma medida para saber se um corpo está quente ou frio, precisamos construir uma escala de temperatura. Utilizando a lei zero, podemos nos valer de qualquer substância cujas propriedades variem de forma facilmente mensurável com a temperatura (volume de um líquido, comprimento de um sólido, resistência elétrica de um condutor, etc.). Posteriormente, calibramos através da medição do valor da propriedade quando em contato térmico com dois fenômenos que possam ser facilmente reproduzidos. Divide-se então o intervalo entre os valores medidos em um número de partes iguais. 14
Medidas de Temperatura Medição de temperatura através da variação volumétrica de uma substância termométrica. Fonte: Nebra (2001) Comparação com um estado de referência. Termômetro: mede a sua própria temperatura, mas quando ele está em equilíbrio térmico com outro corpo, as temperaturas devem ser iguais. Escalas de Temperatura Escala Celsius: 0º C - ponto de fusão da água. 100º C - ponto de ebulição da água. Escala Fahrenheit: 32º F - ponto de fusão da água. 212º F - ponto de ebulição da água. Kelvin Baseada nos princípios da 2 a Lei da Termodinâmica Diz-se: 32ºC (trinta e dois graus Celsius) 32ºF (trinta e dois graus Fahrenheit) 32 K (trinta e dois Kelvin) 32ºK (trinta e dois graus Kelvin) E R R A D O 15
Conversões Celsius e Kelvin T(K) = T( C) + 273 Celsius e Fahrenheit T( F) = 1,8T( C) + 32 Pressão 16
Pressão Pressão: é definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área. F δf P = lim δa 0 δa F A A A Volume Específico e Densidade 17
Volume Específico e Densidade Volume específico: v = V m 3 m = kg * Volume específico: propriedade extensiva por unidade de massa. Densidade: v = 1 ρ m kg ρ = = 3 V m Sistema Internacional de Unidades 18
Algumas Unidades do SI Quantidade Básica Nome da Unidade Símbolo Massa kilograma kg Comprimento metro m Tempo segundo s Volume m m 3 Pressão pascal kpa* Temperatura kelvin K m m *A unidade de pressão pascal é pequena para quantificar as pressões encontradas na prática. Algarismos Significativos 19
Dados: Algarismos Significativos Volume: Densidade: Encontrar: m kg ρ = = 3 V m V = 3,75 L ρ = 0,845 kg/l m =? kg m = 3,75 x 0,845 = 3,16875 kg Arredondando para 3 algarismos significativos: m = 3,17 kg Próxima Aula Propriedades Termodinâmicas 20