Introdução e Conceitos Básicos
Objetivos desta aula
•
Identificar o vocabulário associado com a termodinâmica através da definição
precisa dos conceitos básicos para o desenvolvimento dos princípios da
termodinâmica;
•
Revisar os sistemas de unidades SI e Inglês;
•
Definir os conceitos básicos de termodinâmica tais como: sistema, volume de
controle, estado, processo, ciclo e equilíbrio termodinâmico;
•
Revisar os conceitos de temperatura, escala de temperatura, pressão,
pressão absoluta e manométrica;
•
Introduzir técnicas intuitivas para a resolução de problemas termodinâmicos;
Termodinâmica e Energia
Termodinâmica: a ciência da Energia. Energia: a habilidade de causar mudanças.
O nome termodinâmica vem das palavras gregas therme (calor) e dynamics (movimento)
Principio de conservação da Energia:
Durante uma interação, a energia pode mudar de forma para outra, porém a quantidade total de energia é constante.
Energia não pode ser criada ou destruída.
Primeira Lei da Termodinâmica: é uma expressão do princípio
de conservação da energia.
A Primeira Lei afirma que a energia é uma propriedade termodinâmica.
Segunda Lei da Termodinâmica:
Afirma que a energia tem qualidade assim como quantidade e os processos ocorrem na direção de diminuir a qualidade da energia;
Termodinâmica Clássica:
Aproximação macroscópica do estudo da termodinâmica que não requer conhecimento do comportamento individual das partículas;
Provendo assim um meio fácil e direto de resolver problemas de engenharia no contexto desta disciplina.
Termodinâmica estatística:
Aproximação microscópica baseada comportamento médio de um grupo de partículas individuais
Nesta disciplina usada apenas como suporte conceitual.
Termodinâmica e Energia
Conservação da Energia no Corpo Humano
Direção do Fluxo de Calor com a Diminuição de Temperatura
Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Sistemas Solares Térmicos Sistemas de Refrigeração
Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Aviões e espaçonaves Usinas Termoelétricas
Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Condicionamento de ar Corpo Humano
Áreas de Aplicação da Termodinâmica
Turbinas eólicas
Propulsão marinha
Áreas de aplicação da Termodinâmica
Automóveis
Importância de unidades e dimensões
Qualquer quantidade física pode ser caracterizada por uma dimensão;
As magnitudes associadas pelas dimensões são chamadas unidades;
Massa (m), comprimento (L), tempo (t) e temperatura (T) são selecionadas como primárias ou dimensões fundamentais;
Velocidade (V), Energia (E), volume (V) e outras são definidas em função das dimensões primárias e são chamadas de dimensões secundárias, ou derivadas
Sistema Internacional (SI): sistema simples e lógico baseado em relações decimais entre as varias unidades;
Sistemas Inglês: não existe uma relação básica simples entre as unidades do sistemas e as relações são arbitrárias entre si.
Importância de unidades e dimensões
Unidades SI e Inglesas
Um corpo humano pesa 580N na Terra e pesará apenas 9 N na Lua.
Magnitude relativa entre as unidades de força newton (N), quilograma-força (kgf) e libra-força(kbf)
Homogeneidade Dimensional
Todas as equações devem ser dimensionalmente homogêneas
Sistemas e Volumes de Controle
Sistema: quantidade de matéria ou uma região no espaço escolhida
para estudo;
Vizinhança ou meio: toda massa ou região for a do espaço escolhido;
Fronteira: superfície real ou imaginária que separa o sistema do meio;
A fronteira do sistema pode ser fixa ou móvel.
Sistemas e Volumes de Controle
Sistemas e Volumes de Controle
Volume de controle (ou sistemas fechados): uma região
especifica do espaço a ser estudada que geralmente
envolve equipamentos que possuem fluxos de massa,
como compressores, turbinas ou bocais
Tanto massa quanto energia podem cruzar a fronteira de
um volume.
Superfície de controle: são fronteiras do volume de
controle. Podem ser reais ou imaginárias.
Sistemas e Volumes de Controle
Propriedades de um Sistema
Propriedade: qualquer característica de um Sistema.
Propriedades familiares são pressão (P), temperatura (T), volume (V)
e massa (m);
Propriedades são consideradas como intensivas ou extensivas:
Intensivas: são independentes da massa do Sistema (temperatura,
pressão)
Extensivas: todas as propriedades que dependem do tamanho ou
extensão do Sistema;
Propriedades específicas: propriedades extensivas por unidade de
massa
Continuo
Matéria é composta por átomos amplamente espaçados na fase gasosa. É bastante conveniente desconsiderar a natureza atômica da substância e vê-la como um continuo, matéria homogênea sem “buracos”, isto é, continua.
A idealização de continuo permite tratar as propriedades como funções pontuais e assumir que as propriedades variam continuamente no espaço sem descontinuidades;
A idealização é válida em todo o espaço ocupado pelo Sistema
Esta idealização é válida para praticamente todos os problemas de engenharia
Nesta disciplina nos limitaremos a substâncias que possam ser modeladas como contínuas;
Densidade e densidade relativa
Densidade relativa: a razão entre a
densidade da substância e a densidade da água em condições padrão (geralmente líquida a 4ºC)
Densidade
Volume específico
Densidade e densidade relativa
Estado e Equilíbrio Termodinâmico
Termodinâmica trata de estados de equilíbrio: Equilíbrio: em um estado de equilíbrio não há “desbalanço” de potenciais
dentro de um Sistema:
Equilíbrio térmico: se a temperatura é a mesma em todo o sistema;
Equilíbrio mecânico: se não há mudança de pressão em todo o sistema com o
tempo.
Equilíbrio de fases: se o Sistema envolve duas fases e quando a massa de
cada fase alcança um nível equilíbrio e este não muda;
Equilíbrio químico: se a composição química do Sistema não muda com o
tempo, isto é, não ocorrem reações químicas.
Postulado de Estado
O número de propriedades requerido para fixar um
estado de um Sistema é dado pelo seguinte postulado:
O estado de uma substância simples compressível é
completamente
especificado
por
duas
propriedades
intensivas independentes
Um Sistema é simples e compressível se não envolve
efeitos elétricos, magnéticos, gravitacionais, movimento e
tensão superficial.
O estado do nitrogênio é fixado por duas propriedades intensivas independentes.
Processos e Ciclos
Processo: qualquer mudança que o Sistema sofra de um estado de equilíbrio
até outro qualquer.
Caminho: uma série de estados termodinâmicos que um Sistema passa
durante um ou mais processos. Para descrever completamente o processo termodinâmico, deve-se especificar os estados inicial e final, assim como o “caminho” entre os estados, e as interações com o meio.
Processo quase-estático ou quase-equilíbrio: quando um processo ocorre
de tal maneira que o Sistema permanece infinitesimalmente próximo ao estado de equilíbrio durante todo o processo.
Processos e Ciclos
Processos e Ciclos
Diagrama de processos termodinâmicos com uso de propriedades termodinâmicas como coordenadas são muito usuais para visualizar processos.
As propriedades mais comumente utilizadas como coordenadas são temperatura (T), pressão (P), volume (V) (ou volume específico (v)).
O prefixo iso é usado para designar um processo onde uma propriedade particular permanece constante.
Processo isotérmico: um processo que a temperatura permanece constante.
Processo isobárico: um processo que a pressão permanece constante.
Processo isocórico: um processo que o volume permanece constante
Ciclo: sequência de processo que se inicia e termina no mesmo estado
termodinâmico
Processos e Ciclos
Processos em Regime Permanente
O termo permanente implica nenhuma variação com o tempo. O oposto de permanente seria não-permanente ou transiente.
Inúmeros equipamentos de engenharia operam por longos períodos de tempo sob estas condições e são classificados como equipamentos em regime permanente.
Processo em regime permanente: um processo onde as propriedades termodinâmicas não variam com o tempo;
Condições de regime permanente podem ser aproximadas para equipamentos que operam de forma continua como turbinas, bombas, caldeiras, condensadores e trocadores de calor, entre outros.
Processos em Regime Permanente
Durante um processo em regime permanente, as propriedades de um fluido no volume de controle podem mudar com a posição mas não com o tempo.
Processos em Regime Permanente
Sob condições de regime permanente, a massa e a energia em um volume de controle permanecem constantes.
Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica
•
Lei Zero da Termodinâmica: se dois corpos estão em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio térmico
entre si.
•
Substituindo o terceiro corpo por um termômetro, a lei zero pode ser
reescrita como dois corpos estão em equilíbrio térmico se ambos
estiverem a mesma leitura de temperatura, mesmo que não estejam
em contato.
Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica
Dois corpos em um invólucro isolado atingem o equilíbrio térmico
quando são colocados em contato
Escalas de Temperatura
Todas as escalas de temperaturas são baseadas em estados termodinâmicos facilmente reproduzíveis tais como pontos de congelamento ou ebulição da água: o ponto de gelo e o ponto de vapor.
Ponto gelo: mistura de gelo e água líquida em equilíbrio com o ar saturado a
101,3 kPa (0ºC ou 32ºF)
Ponto de vapor: mistura de vapor d'água e água líquida em equilíbrio a 101,3
kPa (100ºC ou 212ºF)
Escala Celsius: unidade de temperatura no Sistema Internacional
Escala Fahrenheit: unidade de temperatura no Sistema Inglês.
Escala termodinâmica de temperatura: uma escala de temperatura que
independe das propriedades de qualquer substância
Escala Kelvin (SI) Escala Rankine (Inglês): unidade de temperatura para a
escala termodinâmica de temperatura.
Escalas de Temperatura
A referência de temperatura na escala Kelvin original era o ponto de gelo (273,15K), que é a temperatura de congelamento da água (ou o ponto de fusão do gelo)
O ponto de referência foi mudado para um ponto mais precisamente reprodutível, o chamado ponto triplo da água (estado em que as três fases da água coexistem em equilíbrio), e este foi fixado o valor de 273,15K
Escalas de Temperatura
Comparação entre as escalas de temperatura.
Comparação de magnitudes de unidades de temperatura
Pressão
Pressão: Uma força normal exercida por um fluído por
unidade de área
Pressão
A tensão normal (ou pressão) sobre os pés da pessoa de 75kg é muito maior que a pessoa de 150 kg.
Alguns medidores de pressão básicos
Pressão
•
Pressão absoluta: a pressão atual dada para uma posição. É medida
em relação ao vácuo absoluto (isto é, na pressão absoluta zero).
•
Pressão manométrica: a diferença entre a pressão absoluta e a
pressão atmosférica local. A maioria dos medidores de pressão são
calibrados com leitura zero para a pressão atmosférica, indicado que
eles medem a pressão manométrica
•
Pressão de vácuo: pressões abaixo da atmosférica.
Pressão
Pressões absoluta, manométrica e de vácuo
Variação da pressão com a profundidade
A pressão de um fluido em repouso aumenta com a profundidade
2 1 1 2P
gdz
P
P
gh
P
P
atm
gh
P
man
ouVariação da pressão com a profundidade
A pressão em um líquido em repouso aumenta linearmente com a distância da superfícieEm uma sala preenchida com um gás, a variação da pressão com a altura é desprezível.
Variação da pressão com a profundidade
A pressão é a mesma em todos os pontos num plano horizontal em um mesmo fluido considerando que a geometria do sistema permita que todos os pontos estejam conectados pelo mesmo fluido.
Lei de Pascal: a pressão aplicada em um fluido confinado
aumenta a pressão em todo o fluido
Erguendo um grande peso pela
aplicação de uma pequena força
mostra a aplicação da Lei de
Pascal.
O Manômetro
É comumente usado para medir pequenas e moderadas diferenças de pressão. Um manômetro contem um ou mais fluidos como mercúrio, água, álcool ou óleo.
É preenchido com camadas de fluidos, a pressão muda através das camadas de fluido pela densidade e altura h
O Manômetro
Medindo a queda de pressão através de uma seção de escoamento
Outros equipamentos para medir pressão
Tubo de Bourdon: consiste em um tubo oco de metal curvado como um gancho
conectado a um medidor de agulha;
Transdutor de pressão: usa várias técnicas para converter os efeitos de pressão em
um efeito elétrico como mudança de voltagem, resistência ou capacitância. Transdutores de pressão são menores e mais precisos que os medidores mecânicos;
Transdutores de pressão strain-gage: trabalham com um defletor em diafragma entre
duas câmaras abertas para as tomadas de pressão;
Transdutores piezoelétricos: também chamados de transdutores de pressão de
estado-sólido, trabalham com um potencial elétrico que é gerado em uma estrutura cristalina quando submetida a pressão mecânica
Barômetros e a Pressão Atmosférica
• A pressão atmosférica é medida com um equipamento chamado de Barômetro.
• Frequentemente a pressão atmosférica é denominada de pressão barométrica;
• A atmosfera padrão tem uma unidade padrão a pressão produzida por uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura a 0°C (Hg = 13,595 kg/m3) com
aceleração da gravidade de 9,807 m/s2
Barômetros e a Pressão Atmosférica
Barômetro básico
Barômetros e a Pressão Atmosférica
A área da seção transversal do tube não tem efeito na altura da coluna do fluido no barômetro, desde que o diâmetro do tubo seja largo o suficiente para evitar os efeitos da tensão superficial do fluido.
