Aula02 termoi conceitos, Notas de aula de Termodinâmica Aplicada. Universidade Salvador (UNIFACS)
JPMODENESI
JPMODENESI21 de Abril de 2015

Aula02 termoi conceitos, Notas de aula de Termodinâmica Aplicada. Universidade Salvador (UNIFACS)

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Slide 1

03/03/2015

1

Termodinâmica I

Conceitos e definições

Docente: Maísa Matos Paraguassú

Importante: estas notas destinam-se exclusivamente a servir como guia de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com finalidade didática.

O que é termodinâmica?

O estudo da Termodinâmica começou no século XIX, quando se descobriu que era possível realizar trabalho a partir do calor.

Termodinâmica trata do estudo da energia, calor e trabalho e sobre as propriedades da matéria.

calor força, movimento

TERMODINÂMICA

03/03/2015

2

Fronteira

Sistema

Meio

Sistema: tudo aquilo que desejamos estudar.

Meio ou vizinhança: tudo aquilo externo

ao sistema

Fronteira: região que separa o sistema do meio. É uma superfície matemática de espessura zero, portanto não contém matéria, nem possui volume.

Sistemas termodinâmicos e o volume de controle

Sistema: tudo aquilo que desejamos

estudar

Meio ou vizinhança: tudo aquilo externo

ao sistema

Fronteira: região que separa o sistema do meio. É uma superfície matemática de espessura zero, portanto não contém matéria, nem possui volume.

Sistemas termodinâmicos e o volume de controle

Um sistema pode ser considerado como uma porção limitada do Universo onde ocorre a interação de vários elementos.

Tipos de sistemas

Aberto Fechado Isolado

Não há transferência de energia nem de

matéria

Ocorre apenas transferência

de energia

Trocas de energia e de matéria com o

meio externo

Sistemas termodinâmicos e o volume de controle

Calor e trabalho não

cruzam a fronteira do

sistema.

ou volume de controle

03/03/2015

3

Volume de controle É um volume arbitrário no espaço através do qual o fluido escoa. O contorno geométrico do volume de controle é chamado de superfície de controle.

Massa, calor e trabalho podem ser transportados através da superfície de controle.

Sistemas termodinâmicos e o volume de controle

Sistema envolve uma quantidade fixa de massa e volume envolve

um fluxo de massa

Exemplo

Um gerador é montado no topo de uma torre para geração de energia através dos ventos.

A potência elétrica do gerador é alimentada por uma bateria de armazenamento.

Dessa forma, identifique as fronteiras do sistema.

Exemplo Identifique as fronteiras do sistema

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4

Estado: É a condição em que se encontra o sistema, sendo descrito através dos valores das propriedades (T, P, ρ). Uma vez que existem relações funcionais entre as propriedades, o estado pode ser especificado fornecendo- se os valores de apenas algumas delas. As outras poderão ser determinadas a partir desse conjunto.

A matéria pode sofrer transformações de um estado para outro. Quando alguma propriedade do sistema é alterada, altera- se também o estado do sistema. Ex: fusão, ebulição...

Estado de uma substância

Processo Processo é toda mudança pela qual o sistema passa de um estado para outro.

Quando alguma das propriedades do sistema muda, o estado muda e o sistema foi submetido a um processo.

Um processo é uma transformação de um estado para outro. No entanto, denomina-se estado estacionário para o sistema apresenta os mesmos valores das suas propriedades em dois momentos diferentes.

A série de estados através dos quais um sistema passa durante um processo é chamado de percurso

Processo ISOtérmico

Processo ocorre a

TEMPERATURA

constante.

Processo ISObárico

Processo ocorre a

PRESSÃO constante.

Processo ISOcórico

Processo ocorre a

VOLUME constante.

Processo

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5

Propriedade: É uma característica macroscópica do sistema, a qual podemos atribuir um valor numérico independentemente do caminho pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Exemplos: massa, volume, pressão, temperatura, etc.

Propriedade intensiva: é independente da massa: T, P, ρ, ν; Propriedade extensiva: varia diretamente com a massa: m e Vtotal.

Propriedade de uma substância

Exemplos: uma quantidade de matéria, em um dado estado, é dividida em 2 partes iguais, cada parte terá o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valor das propriedades extensivas da massa original.

Equilíbrio térmico: a temperatura será a mesma em todo o gás e a temperatura será uma propriedade do sistema;

Equilíbrio mecânico: a pressão será a mesma em todo o sistema, em qualquer ponto, sem variar com o tempo;

Equilíbrio químico: se o estado de um sistema tende a permanecer quando as interações com as vizinhanças são interrompidas;

Equilíbrio termodinâmico: quando um sistema está em equilíbrio, em relação a todas as possíveis mudanças de estado.

Processo de quase-equilíbrio: É aquele durante o qual o afastamento do equilíbrio é, no máximo, infinitesimal, ou seja, o processo se desenvolve de forma que o sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio em todos os momentos. Ex: remoção de pequenos pesos do êmbolo, um a um.

Equilíbrio

Equilíbrio

03/03/2015

6

Os estados de não-equilíbrio se caracterizam por apresentarem variações espaciais das propriedades intensivas.

Estaremos limitados a descrever o sistema antes da ocorrência do processo, e após a ocorrência do mesmo, quando o equilíbrio é estabelecido. Não iremos especificar cada estado que o sistema percorre, nem a velocidade com que ocorreu.

Ex: remoção brusca dos pesos do êmbolo, com expansão do êmbolo e possível mudança de estado.

Equilíbrio

Ciclo: E uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado.

Quando um sistema em um dado estado inicial, passa por certo número de mudanças de estado, ou processos, e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executou um ciclo.

Exemplo: Ciclo térmico (termodinâmico): a água que circula a termoelétrica.

Ciclo mecânico: motores de combustão interna.

Ciclo

Ciclo: E uma sequência de processos que começa e termina no mesmo estado.

Quando um sistema em um dado estado inicial, passa por certo número de mudanças de estado, ou processos, e finalmente retorna ao estado inicial, dizemos que o sistema executou um ciclo.

Exemplo: Ciclo térmico (termodinâmico): a água que circula a termoelétrica.

Ciclo mecânico: motores de combustão interna.

Ciclo

1

2

P

v

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7

Ciclo

Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo mecânico a cada duas rotações. Entretanto, o fluido em trabalho não percorre um ciclo termodinâmico dentro do motor, uma vez que o ar o combustível são queimados e transformados nos produtos da combustão, que são descarregados na atmosfera.

O estágio de admissão (0-1) é realizado por um processo isobárico de expansão,

seguido por processo adiabático de compressão. Através da combustão do

combustível, calor é adicionado em um processo isocórico, seguido por um

processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de força . O ciclo é

fechado pela exaustão, caracterizada por processo de refrigeração isocórica e

compressão isobárica.

Massa específica: é a relação (razão) entre a massa de um material e o volume

por ele ocupado.

3m

kg

V

m

volume

massa 

Para sólidos e líquidos, a densidade geralmente é expressa em gramas/centímetros cúbicos (g/cm3); para gases, costuma ser expressa em gramas/litro (g/L).

Por que o gelo flutua?

Isso ocorre porque a massa específica do gelo (0,92 g/cm3) é menor que a massa específica da água do mar (1,03 g/cm3).

Massa específica

1) Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões

iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um

contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três

líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais

não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria

para identificar as substâncias?

Exemplo

03/03/2015

8

1) Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões

iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um

contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três

líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais

não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria

para identificar as substâncias?

Exemplo

A massa específica (ρ) de cada um dos líquidos, à temperatura

ambiente, é:

ρ(água) = 1,0 g/cm3

ρ(clorofórmio) = 1,4 g/cm3

ρ(etanol) = 0,8 g/cm3

1) Três frascos de vidro transparente, fechados, de formas e dimensões

iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um

contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três

líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais

não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria

para identificar as substâncias?

Exemplo

Determine o aumento da espessura da lâmina d’água, que originalmente apresenta espessura de 1m, se a temperatura da água aumentar 10oC. Sabe-se que a massa específica da água líquida pode ser aproximada por ρ = 1008 – T/2 [kg/m3] onde T é a temperatura em oC.

Hipóteses: i. Massa constante; ii. Área constante; iii. Condição inicial igual a Ambiente (T=25ºC)

Exemplo

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Pelo Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão é o Pascal (Pa), que se

relaciona com a unidade atmosfera na seguinte proporção:

Pressão

A Terra está envolvida por uma camada de ar que tem espessura

aproximada de 800 km. Essa camada de ar exerce pressão sobre os corpos: a

pressão atmosférica.

Pressão

Pressão As pressões podem ser expressas de duas formas: manométrica e absoluta.

Os manômetros são instrumentos que medem a pressão de

ambiente qualquer em relação à atmosfera

Para a determinação da pressão absoluta é necessário um

barômetro para determinar a pressão atmosférica

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Zero Absoluto (vácuo absoluto)

Pressão atmosférica local

Pressão atmosférica normal

Pressão efetiva negativa (sucção vácuo)

Pressão Manométrica ou pressão efetiva

1 atm = 101,325kPa

2

1Leitura do barômetro

abs bar manP P P 

Pressão

Pressão absoluta

Valor padrão da pressão barométrica: 760 mmHg (ao nível

do mar e temperatura de 15°C)

Pressão

��1 = ��2

��1 ��1 = ��2 ��2

��2 ��1 = ��2 ��1

Lei de Pascal

Pressão ��1 = �������� + ��1��ℎ1 + ��2��ℎ2 + ��3��ℎ3

��2 = �������� + ����ℎ

��1−��2= (��2−��1)��ℎ

��1 + ��1�� �� + ℎ − ��2��ℎ − ��1��ℎ = ��2

03/03/2015

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Temperatura

Escalas de temperatura se baseiam em alguns estados

reprodutíveis como pontos de congelamento e de ebulição

da agua.

Temperatura

  328,1  CF

8,1

32 

F C

15,273 CK

15,273 KC

Determine o aumento da espessura da lâmina d’água, que originalmente apresenta espessura de 1m, se a temperatura da água aumentar 10oC. Sabe-se que a massa específica da água líquida pode ser aproximada por ρ = 1008 – T/2 [kg/m3] onde T é a temperatura em oC.

Exemplo

Converta a equação para a massa específica da água da questão anterior para que ela opere com a temperatura expressa em Kelvin.

R.: 1144,6 – T/2

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Igualdade de temperatura: Considerando 2 corpos com diferentes temperatura. Se esses corpos foram colocados em contato térmico observamos: • A resistência elétrica do corpo quente decresce com o tempo até que nenhuma mudança é observada; • O comprimento do corpo quente decresce com o tempo até que nenhuma mudança é observada; •A temperatura do corpo quente diminui até que nenhuma mudança é observada.

Conclusão: Os 2 corpos possuem igualdade de temperatura, pois não apresentam alterações em qualquer propriedade mensurável quando colocados em contato térmico.

Temperatura

Lei Zero da Termodinâmica

A lei zero da termodinâmica diz que, quando dois corpos possuem igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si.

Temperatura

1. Transforme as massas em gramas (g): a) 0,20 kg b) 200 mg

2. Transforme os volumes em litros (L): a) 1 dm3

b) 100 mL c) 200 cm3

d) 3,0 m3

3. Transforme as temperaturas: a) 27 ºC em Kelvin (K) b) 500 K em ºC (Celsius)

4. Transforme as pressões: a) 1 520 mmHg em atm b) 0,5 atm em mmHg

Exercícios

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5) Um tanque de aço com massa de 15 kg armazena 300 L de gasolina que apresenta massa especifica de 800 kg/m3. Qual a força necessária para acelerar este conjunto a 4 m/s2?

6) Um manômetro em U, que utiliza água, apresenta diferença entre as alturas das colunas igual a 25 cm. Qual a pressão relativa?

7) Um conjunto cilindro-pistão, com área de seção transversal igual a 15 cm2

contém um gás. Sabendo que a massa do pistão é 5 kg e que o conjunto está montado numa centrífuga que proporciona uma aceleração de 25 m/s2. Calcula a pressão do gás (absoluta). Admita que o valor da pressão atmosférica é normal.

Exercícios

8) Os cilindros A e B contém um gás e estão conectados por uma tubulação. As áreas das seções transversais são AA=75 cm

2 e AB=25 cm 2. A massa do

pistão A é 25 kg. Calcule a massa do pistão B de modo que nenhum dos pistões fique apoiado nas superfícies dos cilindros.

Exercício

Propriedades de uma substância pura

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O conhecimento do comportamento das substâncias através de suas propriedades é fundamental na análise de processos e sistemas termodinâmicos.

Propriedades de uma substância pura

Substância Pura: substância pura é aquela que apresenta composição química invariável e homogênea. Pode ser encontrada em várias fases sem alteração da composição química.

Mistura eutética

Mistura azeotrópica

Misturas

Propriedades de uma substância pura

Substância Pura: substância pura é aquela que apresenta composição química invariável e homogênea. Pode ser encontrada em várias fases sem alteração da composição química.

Mistura eutética

Mistura azeotrópica Misturas

Propriedades de uma substância pura

• Ligas metálicas como a solda, o bronze,

entre outras.

• O bronze é obtido através da mistura

eutética de cobre e estanho.

• A solda é uma liga de estanho e chumbo.

• acetona (86,5%) + metanol (13,5%)

álcool etílico (7%) + clorofórmio (93%)

ácido fórmico (77,5%) + água (22,5%)

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A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura. Portanto, para a água a 100 ºC, a pressão de saturação é de 0,1 MPa, e para a água a 0,1 Mpa, a pressão de saturação é de 100 ºC.

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura.

Portanto, para a água a 100 ºC, a pressão de saturação é de 0,1 MPa, e para a água a 0,1 MPa, a temperatura de saturação é de 100 ºC.

Na linha temos o equilíbrio líquido-vapor, ou seja, temos 2 fases em equilíbrio. Ex: 20% (m/m) de vapor. Abaixo desta curva temos a fase vapor, denominado vapor superaquecido; Já acima temos a fase líquida, denominado líquido subresfriado.

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

A temperatura na qual ocorreu a vaporização, a uma dada pressão, é denominada de temperatura de saturação. E esta pressão é denominada pressão de saturação a uma dada temperatura.

A líquido é denominado saturado quando a substância encontra-se na fase líquida a temperatura e pressão de saturação, ou seja, na eminência de entra em equilíbrio com o vapor.

Já quando o vapor está da eminência do equilíbrio com o líquido, denomina-se de vapor saturado.

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

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Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Considerando um sistema, água em um êmbolo-cilindro, com massa de 1 kg e que o êmbolo seja mantido a uma pressão de 0,1 MPa e temperatura inicial de 20ºC. Este sistema encontra- se em que fase?

Calor é transferido pra esta água, a temperatura aumenta, porém a pressão é mantida constante. O que acontece quando a água atinge uma temperatura de aproximadamente 100ºC ? O que acontece com o volume do sistema?

Quando a última gota de líquido tiver vaporizado, uma transferência adicional de calor resulta em um aumento da temperatura e do volume do vapor.

Propriedades de uma substância pura

20ºC

180ºC

100ºC

A – estado líquido 20ºC / 0,1 MPa

B – líquido saturado, temperatura de saturação

100ºC / 0,1 Mpa AB = pequeno aumento de volume BC = região de equilíbrio líquido- vapor, grande aumento de volume, a temperatura constante; C = vapor saturado; CD = vapor superaquecido.

Obs: Processo de aquecimento ABCD foi a pressão constante, 1 MPa

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

Diagrama temperatura-volume para a água

20ºC

E se a pressão do sistema for de 1 MPa ou 10 MPa??

180ºC

100ºC

E se a pressão for alterada para 22,09 MPa, processo MNO, o que irá acontecer?

Não existe a etapa de vaporização a temperatura constante. N é denominado ponto crítico. Neste ponto temos líquido saturado e vapor saturado.

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

Diagrama temperatura-volume para a água

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20ºC

180ºC

100ºC

Diagrama temperatura-volume para a água

Acima da pressão crítica (22,09 MPa), há apenas uma fase presente, que não pode ser denominada de líquida, nem vapor. Temos neste caso um fluido denominado supercrítico.

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Propriedades de uma substância pura

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Tabela de ponto triplo.

Propriedades de uma substância pura

Equilíbrio de Fases Vapor-Líquido-Sólida de uma Substância Pura

Tabela de ponto crítico.

Propriedades de uma substância pura

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Propriedades de uma substância pura

Já para o ferro, temos:

Diversos pontos triplos podem ser observados, porém existe somente 1 em que as fases sólido, líquido e vapor estão em equilíbrio.

Pode existir ponto triplo entre: • 2 fases sólidas e 1 líquida; • 2 fases sólidas e 1 vapor; • 3 fases sólidas.

Propriedades de uma substância pura

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