Apostila sobre Termodinâmica - Termodinâmica - Termologia, Resumos de Física
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Material de Termodinâmica para estudo de Termologia Física para Enem
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1

Definição: a termodinâmica estuda as relações entre calor e trabalho e as propriedades das substâncias que interagem nestas relações

Termodinâmica

Volume de Controle

Região do espaço limitada por uma superfície (real ou imaginária), pela qual passa energia na forma de calor e trabalho.

Trabalho

Trabalho transferido para dentro ou para fora do volume de controle por meio de um eixo. Ex..:trabalho que move uma bomba hidráulica.

Trabalho realizado através do movimento da fronteira do volume de controle.

Ex..: pistão se movimentando dentro de um cilindro.

2

Gás

Compressão

Trabalho

Fronteira

móvel

Gás

Trabalho

Expansão

Termodinâmica

Calor

Forma de energia que se transfere entre dois pontos, devido a uma diferença de temperatura entre eles.

 Propriedades Termodinâmicas

a) Massa Específica (ρ ) ρ = m / V , [kg / m3 ]

b) Pressão (P) P = dF / dA , [N / m2]

3

termodinâmica pressão absoluta

obs.: 1 atm = 105 Pa.

c) Temperatura (T) Indica o potencial de troca de calor de um corpo. Obs.: Tk = TºC + 273

d) Calor Específico ( c) Propriedade do fluido que mede a energia necessária para elevar de 1 K a temperatura de uma massa unitária de uma substância. cp calor específico a pressão constante (kcal / kg ºC)

Termodinâmica

Energia Interna

Relaciona-se com a troca de outras formas de energia entre uma substância que se encontra no interior de um volume de controle e o meio. Ex.: Panela com água no fogo. Calor transferido para água eleva a energia interna de uma quantidade igual ao calor adicionado. Medida feita a partir de um estado padrão, para o qual se convenciona que o valor da energia interna é nulo.

4

Princípio da Conservação de Energia:

m*c*( t - to) = m*( u - uo) m: massa (kg) c: calor específico (kcal / kg ºC) t - to: temperatura (ºC) Para to = 0 → uo = 0 e c = 1kcal /KgºC u = c*t

A energia interna da água no estado líquido é numericamente igual a sua temperatura, na escala Celsius”.

Quando um gás é comprimido, o trabalho utilizado provoca um aumento na energia interna de uma quantidade igual a sua energia.

W = m*( u - uo )

Termodinâmica

 Entalpia

Soma das energias internas e de pressão em unidade de energia / unidade de massa. h = u + p*v

p: pressão (N / m2) V: volume específico (m3 / kg)

5

 Entropia Substância troca calor com o meio ambiente

 temperatura aumenta; ✏  temperatura diminui; ✏  temperatura permanece inalterada (mudança de estado).

Q+ calor que entra no sistema. Q- calor que deixa o sistema.

S =  dQ / T

Termodinâmica

 Adota-se a temperatura medida na escala absoluta, de tal forma que o calor seja sempre positivo, independente do sentido das trocas de calor.

Se T é positivo calor entropia aumenta

calor entropia diminui

Estados de uma substância Pura

Ex..: água p = 1 atm tv = 100ºC p = 10 atm tv = 179ºC p = 100 atm tv = 309ºC

6

Para cada pressão, tomando-se como base a temperatura de vaporização, cinco situações diferentes são definidas:

(1)

Líquido sub- resfriado

A água, a p = 1atm, vaporiza a 100ºC. Qualquer temperatura abaixo desta define o estado sub-resfriado, desde que ela permaneça líquida. Ex. .: Água p = 1 atm t = 30ºC

(2)

Líquido saturado Início da vaporização a uma determinada pressão. Água totalmente no estado líquido, sendo que qualquer quantidade adicional de energia provocará mudança de fase. Ex..: Água p = 1 atm t = 100ºC

Líquido + vapor Ex..: Líquido e vapor de água a 1 atm e t = 100ºCVapor saturadoúmido

(3)

Termodinâmica

7

(4)

Vapor saturado

(5)

Vapor superaquecido

Final da vaporização na mesma pressão em que se iniciou . Ex.: Vapor dágua a 1atm e t = 100ºC.

Quando se aquece o vapor saturado acima de sua temperatura de vaporização, sem alterar a sua pressão. Ex.: vapor dágua e 1 atm e t= 120ºC.

Primeira lei da Termodinâmica

Princípio da conservação de energia: “ A somatória das energias que entram num volume de controle, menos a somatória das energias que saem, é igual à variação de energia que ocorre dentro do volume de controle.”

Termodinâmica

8

Fronteira do VC

Volume de Controle (uf - ui)

Calor Qe

Trabalho We

massa me

Calor Qs

Trabalho Ws

massa ms

Ee - Es = uf - ui

( )

iiff

ss s

sssee e

eee

ss V

ssss

ee e

eeee

umum

hzgVmWQhzgVmWQ

hzgmWQE

hzgVmWQE

s

×−×

= 

   

 +×+×−−−



   

 +×+×++

+×+×++=

  

   

 +×+×++=

22

2

22

2

2

2

Termodinâmica

9

Volume de controle aberto em regime permanente

Regime permanente: propriedades internas ao VC permanecem inalteradas ao longo do tempo.

não há variação da energia interna: uf = ui não há variação da massa: mf = mi mi * (uf - ui) = 0

Qe + We + me x (Ve2 /2) + g x ze + he = Qs + Ws + ms x (Vs2 /2 + g x zs + hs)

Processos de aquecimento e de resfriamento A variação de energia cinética e da energia potencial são desprezíveis em função da variação da entalpia, do trabalho realizado ou do calor trocado. Ainda, se nenhum trabalho de máquina é realizado

W = 0 ( )es hhmQ −×= 

5 4 2 3

1

V esp (m3 / kg)

Temperatura

Termodinâmica

10

Entropia aumenta quando um corpo ganha calor e diminui quando ele perde calor.

Líquido sub resfriado vapor superaquecido

entropia aumenta “ Aumento da entropia representa a evolução da matéria no

sentido de um estado mais desorganizado ou de maior liberdade.”

Diagrama Temperatura / Volume Específico

V (volume m3/kg específico)

P = 200

P = 20

P = 2

P = 0,2

T (ºC)

tv4

tv3

tv2

tv1

Termodinâmica

11

Segunda Lei da Termodinâmica

 Primeira lei : não impõe nenhuma restrição quanto ao sentido em que as transformações ocorrem .

Ex. : Calor transferido de uma fonte fria para uma fonte quente.Calor provocado pela frenagem de um veículo. Pode voltar para o motor e se transformar em movimento.

 Segunda lei : quando se deseja transportar calor de uma fonte fria para uma fonte quente, em uma máquina cíclica, necessita-se realizar um trabalho (proveniente de uma fonte externa).

Ex. : geladeira . Condensador

Calor Qcd

Calor Qe

Evaporador

(4)

(3)

(1)

(2)

compressor Válvula de Expansão

Termodinâmica

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 Válvula de Expansão: líquido saturado ao passar pela VE, sofre uma brusca queda de pressão sofrendo uma vaporização.

 Evaporador: na saída da válvula, dependendo do fluído, a temperatura é inferior à do ambiente, e o fluído indica um processo de troca de calor com o ambiente, retirando calor deste.

 Compressor: o fluido refrigerante, em baixa pressão e temperatura, passa por uma compressão para voltar ao estado inicial e reiniciar o ciclo de refrigeração.

 Condensador: vapor e, alta temperatura, no estado superaquecido . Nesta etapa, o vapor cede calor para o meio externo e, consequentemente, condensa.

Termodinâmica

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CICLO DE CARNOT a) máquina térmica

Reservatório quente

Adiabático (Bomba) Turb.

T1 T2

Gerador de vapor isotérmico

(Bomba) Turb. T2 T1

Condensador isotérmico

Reservatório frio

q

q

Termodinâmica

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Aparelho de Ar Condicionado

15

Self-Contained

16

Termodinâmica

Usina de Piratininga

17

Termodinâmica

18

Termodinâmica

Bacia do Alto Tietê

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