BC1309-Aula1(ConceitosFundamentais)

Universidade Federal do ABC

BC1309

Termodinâmica Aplicada

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 e melhor

desempenho e eficiência, além de menor impacto ambiental.

Conceitos Fundamentais



Alguns exemplos de aplicações da Termodinâmica:



Centrais Termoelétricas;



Células a combustível;



Ciclos de refrigeração;



Processo de decomposição do ar;



Turbinas a gás;

Conceitos Fundamentais



Sistema;



Volume de controle;



Propriedades Termodinâmicas;



Equilíbrio;



Estado, Processo e Ciclo Termodinâmicos;



Substância Pura;



Temperatura;



Pressão;

Sistema

 Sistema: uma parte determinada do universo, na qual estamos interessados. É uma quantidade de matéria, com massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida.

Sistema

Fronteira

Vizinhança

 Vizinhança: a partir do momento em que definimos o sistema, chamamos o resto do universo de vizinhança.

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.

Volume de Controle

 Volume de Controle: é aquele que pode trocar tanto massa como energia com a sua vizinhança.

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



volume total

densidade temperatura

Intensivas

Extensivas

pressão energia interna

entalpia entropia

 Estas variáveis coletivamente descrevem:

Propriedades Termodinâmicas

m, V, T, P,



½ m,

½ V,

T, P,



½ m,

½ V,

T, P,



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)

Estado, Processo e Ciclo

Termodinâmico

Estado Termodinâmico

 É a condição de um sistema, descrita 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

Energia interna específica Entalpia específica

Entropia específica Volume específico

Gráficos

Processo Termodinâmico

Mudança do estado 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.

Processo Termodinâmico

Estado 1

Estado 2

Ciclo Termodinâmico

Sistema parte de um dado estado inicial,

percorre diferentes

estados termodinâmicos

,

através de diferentes

processos termodinâmicos

,

Ciclo Termodinâmico

Substância Pura

Fase: qualquer estado físico da matéria.

Sólido Líquido Gasoso

Substância Pura: substância que possui uma composição química fixa em toda sua extensão.

Temperatura

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.”

Temperatura

A

C

B

 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

Fonte: Nebra (2001)

Medidas de Temperatura

 Medição de temperatura através da variação volumétrica de uma substância termométrica.

 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.

 Kelvin

 Escala Fahrenheit: 32º F - ponto de fusão da água. 212º F - ponto de ebulição da água.

Baseada nos princípios da 2º Lei da Termodinâmica

Diz-se: 32ºC (trinta e dois graus Celsius) 32ºF (trinta e dois graus Fahrenheit) 32 K (trinta e dois Kelvin)

Conversões

Celsius e Kelvin

T(K) = T(°C) + 273

Pressão

A

F

A

F

lim

P









 Pressão: é definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área.

Volume Específico e Densidade

















kg

m

m

V

v















m

kg

V

m



Volume específico:



Densidade:

* Volume específico: propriedade extensiva por unidade de massa.



1



Quantidade Básica Nome da Unidade

Símbolo

Massa

kilograma

kg

Comprimento

metro

m

Tempo

segundo

s

Volume

m

Pressão

pascal

kPa*

Temperatura

kelvin

K

*A unidade de pressão pascal é pequena para quantificar as pressões encontradas na prática.

Algumas Unidades do SI

m m m



Dados:



Volume: V = 3,75 L



Densidade:



= 0,845 kg/L



Encontrar: m = ? kg















m

kg

V

m

m = 3,75 x 0,845 = 3,16875 kg



Arredondando para 3 algarismos significativos:

m = 3,17 kg