STerm 01 Sistemas Termicos – conceitos termodinamica

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Disciplina:

Sistemas Térmicos

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Sistemas Térmicos

● Apresentação da Termodinâmica

● Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

● Estado e Propriedades de uma Substância

● Processos Termodinâmicos e Ciclos

● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Apresentação da Termodinâmica

 O termo Termodinâmica descende da composição de termos gregos

therme, que significa calor, e dynamis, que significa potência;

 De uma forma geral, calor significa "energia" em trânsito e dinâmica se relaciona com "movimento". Dessa forma, a termodinâmica estuda o

movimento da energia, na forma de conversão de energia, e como a energia cria movimento;

 A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda o efeito das mudanças nas propriedades de uma substância, como temperatura, pressão e volume, em

sistemas físicos na escala macroscópica;

 Historicamente, o estudo dos princípios da termodinâmica, hoje chamados de leis da termodinâmica, se desenvolveu pela necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas térmicas.

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Sistemas Térmicos

● Apresentação da Termodinâmica

● Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

● Estado e Propriedades de uma Substância

● Processos Termodinâmicos e Ciclos

● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

Sistema Termodinâmico (Sistema Fechado): É uma quantidade de matéria,

com massa e identidades fixas, sobre a qual a atenção do estudo é dirigida. Tudo que é externo ao sistema é denominado meio ou vizinhança. O sistema é separado da vizinhança pelas fronteiras do sistema, as quais podem ser

móveis ou fixas. O calor e trabalho podem cruzar a fronteira do sistema, entretanto a massa não pode cruzar a fronteira do sistema.

Volume de Controle (Sistema Aberto): É um volume de estudo no qual são

permitidos fluxos de calor, trabalho e massa através do sistema, ou seja,

massa pode entrar e sair do volume de controle, definida por uma superfície

de controle.

De uma forma geral, sistema termodinâmico é definido quando se trata de quantidade fixa de massa e volume de controle é definido quando se trata de quantidade variável de fluxos de massa.

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Sistemas Térmicos

Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

Considerando o gás contido no cilindro abaixo, definido pela fronteira do sistema

mostrada. Se o conjunto é aquecido, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. Quando o êmbolo se move, a fronteira do sistema move. Calor e trabalho cruzam a fronteira, entretanto a massa do sistema permanece constante.

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Sistemas Térmicos

Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

Considerando o compressor de ar abaixo, definido pela superfície de controle mostrada. Dado trabalho de eixo é fornecido ao compressor de ar, que admite uma dada

quantidade de massa de ar a baixa pressão e descarrega uma quantidade de ar a alta pressão. Trabalho e massa cruzam a superfície de controle do sistema.

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Sistemas Térmicos

● Apresentação da Termodinâmica

● Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

● Estado e Propriedades de uma Substância

● Processos Termodinâmicos e Ciclos

● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Estado e Propriedades de uma Substância

Fase: Definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea, como

as fases sólida, líquida e gasosa. Quando mais de uma fase coexistirem, estas se separam entre si por meio das fronteiras de fases;

Estado: Em cada fase, uma substância pode existir em várias pressões e

temperaturas. O estado de uma fase pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis, dentre as mais familiares: pressão, temperatura e volume específico;

Propriedades: Cada uma das propriedades de uma substância (pressão,

temperatura, massa, entre outras) em um dado estado, apresenta somente um determinado valor e essas propriedades tem sempre o mesmo valor para esse estado, independentemente de como a substância chegou a esse estado. As propriedades podem ser intensivas e extensivas;

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Sistemas Térmicos

Estado e Propriedades de uma Substância

Propriedade Intensiva: qualquer propriedade que independe da massa, como

por exemplo, temperatura, pressão, entalpia e entropia;

Propriedade Extensiva: qualquer propriedade que varia diretamente com a

massa, como por exemplo, massa, volume, volume específico, massa específica;

Se uma quantidade de matéria, em um dado estado, for dividida em duas partes iguais, cada parte apresentará o mesmo valor das propriedades

intensivas (cada parte terá a mesma temperatura e pressão da parte original) e a metade das propriedades extensivas (cada parte terá metade da massa

original).

Quando um sistema está em equilíbrio em relação a todas as mudanças possíveis de estado, diz-se que o sistema esta em equilíbrio

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● Conceitos e Unidades

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● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Processos Termodinâmicos e Ciclos

Processo: Quando o valor de uma propriedade de um sistema é alterado,

dizemos que ocorreu uma mudança de estado. O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema percorre é chamado de processo.

Os processos que ocorrem mantendo uma propriedade constante são chamados:

 processo isotérmico: processo que ocorre a temperatura constante;  processo isobárico: processo que ocorre a pressão constante;

 processo isométrico: processo que ocorre a volume constante, também chamado de processo isocórico;

Ciclo Termodinâmico: Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa

por vários processos sequenciais alternativos e retorna ao estado inicial, diz-se que o sistema percorreu um ciclo

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Sistemas Térmicos

● Apresentação da Termodinâmica

● Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

● Estado e Propriedades de uma Substância

● Processos Termodinâmicos e Ciclos

● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Massa: A unidade básica de massa no SI é o quilograma, expresso em

unidade kg. De acordo com a Conferência Geral de Pesos e Medidas, de

1901, 1 (um) quilograma corresponde a massa de um cilindro de platina-irídio de 39mm de altura e diâmetro, armazenado no Escritório Internacional de

Pesos e Medidas;

Comprimento: A unidade básica de comprimento no SI é o metro, expresso

em unidade m. De acordo com a Conferência Geral de Pesos e Medidas, de 1983, 1 (um) metro corresponde a trajetória percorrida pela luz no vácuo em um intervalo de tempo de 1/299.792.458 segundo;

Tempo: A unidade básica de tempo no SI é o segundo, expresso em unidade s. De acordo com a Conferência Geral de Pesos e Medidas, de 1967, 1 (um)

segundo corresponde ao tempo necessário para a ocorrência de

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Força: A unidade básica de força no SI é o Newton, expresso em unidade N.

O conceito de força resulta da segunda lei de Newton, a qual estabelece que a força que atua sobre um corpo é diretamente proporcional ao produto da

massa do corpo pela aceleração na direção da força:

F = m.a

 Dessa forma, 1N corresponde a força necessária para acelerar 1 (um) quilograma de massa em uma razão de 1 (um) metro por segundo a cada segundo, ou seja 1kg.m/s²;

 De outra forma interpretativa, 1N corresponde a força necessária para aumentar a velocidade de 1kg de massa em 1m/s a cada segundo;

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Peso: O peso de um corpo corresponde a força gravitacional atuando sobre

um corpo com dada massa, expresso no SI na mesma unidade de força, o N. O peso de um corpo geralmente é confundido com a massa de um corpo,

entretanto, a interpretação somente é correta quando associada a força gerada pela aceleração da gravidade atuando sobre o corpo;

A massa de um corpo no globo terrestre permanece constante, entretanto, o peso do corpo varia devido a variação da aceleração da gravidade com a altitude.

Mol: O mol é quantidade de matéria de um sistema que contém tantas

entidades elementares quanto são os átomos de carbono em 12g de carbono-12. O conceito de mol esta associado a Constante de Avogadro, que é igual a 6,022.1023_{. Dessa forma, 1mol é quantidade de matéria que existe em}

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Energia: Dentre muitos conceitos apresentados na literatura, a melhor

definição de energia é a capacidade de se produzir um dado efeito. A energia pode ser acumulada em um sistema e também pode ser transferida de um

sistema para o outro. A unidade de energia no SI é o Joule, expresso em J. Do ponto de termodinâmico, as três formas principais de energia são:

 Energia Potencial Gravitacional: Forma de energia acumulada em um corpo devido a sua altura em relação a uma posição geoestacionária, também chamada simplesmente de energia potencial;

 Energia Cinética: Forma de energia acumulada em um corpo devido ao movimento do corpo em relação ao ambiente;

 Energia Interna: Forma de energia acumulada em um corpo devido ao estado de agitação das moléculas que formam a estrutura do corpo;

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Massa Específica: Definida como a massa de um corpo por unidade de

volume ocupado pelo corpo, expresso pelo símbolo r, em unidades no SI de

kg/m³.

Matematicamente, corresponde a razão entre a massa e o volume do corpo:

Volume Específico: Definido como o volume ocupado por um corpo por

unidade

de massa do corpo, expresso pelo símbolo n, em unidades no SI de m³/kg. Matematicamente, corresponde ao inverso da massa específica:

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Exemplo de Cálculo de Volume Específico e Massa Específica

Considerando um recipiente como mostrado na figura abaixo, com volume interno de 1 m³, contendo 0,12 m³ de granito, 0,15 m³ de areia e 0,2 m³ de

água líquida na temperatura de 25°C. O restante do recipiente contém 0,53 m³ de ar com massa específica de 1,15 kg/m³. Determine o volume específico

médio e a massa específica média da mistura contida no recipiente.

utilizar como referência:

massa específica do granito: 2750 kg/m³; massa específica da areia: 1500 kg/m³;

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Pressão: A unidade básica de pressão no SI é o Pascal, expresso em unidade Pa. A definição de pressão corresponde a força de 1 (um) Newton atuando

sobre uma área de 1 (um) metro quadrado. Em unidades da atmosfera padrão, 1 (uma) atmosfera, expressa pela unidade atm, corresponde a 101325 Pa.

Com relação as pressões atuantes sobre um corpo, as pressões são:

 Pressão Manométrica: Diferença de pressão em um corpo em relação a pressão atmosférica, podendo ser acima ou abaixo da atmosférica. Essa pressão também é chamada de pressão relativa ou efetiva. É a pressão lida em instrumentos do tipo manômetros;

 Pressão Absoluta: Pressão manométrica em um corpo somada a pressão atmosférica, podendo ser maior ou menor que a atmosférica. A pressão atmosférica é lida em instrumentos do tipo barômetros.

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Sistemas Térmicos

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Para o tubo em U da figura ao lado, a pressão absoluta no ponto A e B é dada por:

A pressão manométrica no ponto B corresponde a pressão da coluna de líquido acima do ponto B:

Onde

r

L é a massa específica do líquido, g é a

aceleração da gravidade e H a altura da coluna de líquido acima do ponto B.

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Para o barômetro de mercúrio da figura ao lado, considerando a pressão no topo da coluna de mercúrio aproximadamente vácuo:

Como a pressão no topo do barômetro é nula, a pressão na base da coluna do barômetro é dada pela pressão atmosférica externa

(24)

Exercício 1

• A uma tubulação que transporta um fluido de peso

específico 850 N/m³ acopla-se um manômetro de mercúrio,

conforme indicado na figura. A deflexão no mercúrio é de

0,9 m. Sendo dado

r

_Hg

= 13.600 kg/m³, determine a pressão

absoluta a que o fluido está submetido, no eixo da

tubulação.

h1 = 0,3m h2 = 0,6m atmosfera

(25)

Resolução

Duto com fluido

P = h . g

P

= P

Q

P Q A

1 .h

P

_P



_A





_f

Hg

atm

Q

P

g

h

P





r

.

P = h .

r

. g

ou

(26)

Resolução

P

A

+ g

f

. h

1 =

P

atm

+

r

Hg

.g. h

Hg

P

= P

Q

P



P

A





f

.h

1 P

A

= P

atm

+

r

Hg

.g. h

Hg

– g

f

. h

1 P

A

= 101325 + 13600



9,81



0,9 – 850



0,3

P

A

= 221.144,4 Pa

Hg

atm

Q

P

g

h

P





r

.

(27)

Exercício 2

• A uma tubulação que transporta um fluido de peso

específico 950 kgf/m³ acopla-se um manômetro de

mercúrio, conforme indicado na figura. A deflexão no

mercúrio é de 1,2 m. Sendo dado g

_Hg

= 13.600 kgf/m³,

determine a pressão absoluta a que o fluido está

submetido, no eixo da tubulação.

Duto com fluido

P_atm = 101325 Pa

Atenção com as unidades. kgf não faz parte do SI.

(28)

Resolução

P

A

+ g

f

. h

1 =

P

atm

+ g

Hg

. h

Hg

P

= P

Q

P



P

A





f

.h

1 Hg

Hg

atm

Q

P

h

P







.

P

A

= P

atm

+ g

Hg

. h

Hg

– g

f

. h

1 g

Hg

= 13.600 kfg/m

3

= 133.416 N/m

3

g

f

= 950 kfg/m

3

= 9.319,5 N/m

3

(29)

Resolução

P

A

+ g

f

. h

1 =

P

atm

+ g

Hg

. h

Hg

P

= P

Q

P



P

A





f

.h

1 Hg

Hg

atm

Q

P

h

P







.

P

_A

= 101325 + 133416  1,2 – 9319,5  0,3

P

_A

= 258628,35 Pa

ou 258,63 kPa

(30)

Exercício 3

• Um óleo ( γ = 880 kgf/m

3

_{) passa pelo conduto da figura}

abaixo. Um manômetro de mercúrio, ligado ao conduto,

apresenta a deflexão indicada. A pressão absoluta em M é de

2kgf/cm

2

_{. Obter h.}

Resposta: h = 1,617 m

Q P

(31)

Resolução

2 kgf/cm

2

= 20.000 kgf/m

2

= 196.200 Pa

880 kgf/m

3

= 8.632,8 N/m

3 0,65 m h atmosfera

Duto com fluido

h

P Q

M

Q P

(32)

Resolução

0,65 m

h

atmosfera

Duto com fluido

h Q P

P

= P

Q

)

65 ,

0 .( 





P

h

P

_P

_M



_f

h

P

_Q



_atm





_Hg

.

M

(33)

Resolução

)

65 ,

0 .(

.





h

P

h

P

_atm



_Hg

_M



_f

P

_atm

= 101325 Pa

P

_M

= 196200 Pa



_Hg

= 133416 N/m

3



_f

= 8632,8 N/m

3

h = 0,8053 m ou 805,3 mm

(34)

Exercício 4

• Os reservatórios fechados R e S (conforma figura abaixo) contém

respectivamente, água e um líquido de peso específico g_S. Sabe-se que a pressão em R ( P_R ) é igual a 1,1kgf/cm2 _{e que a pressão em S ( P}

S ) é igual

a 0,8 kgf/cm2_{. Calcular g} s.

Resposta: γ_S= 6239,16 N/m3

Atenção com as unidades. kgf não faz parte do SI.

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Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Exemplo de Cálculo de Pressão Manométrica e Absoluta

Considerando o conjunto cilindro-pistão mostrado abaixo, utilizado em um sistema

hidráulico, cujo diâmetro do cilindro (D) é 0,1 m e a massa do conjunto é de 25 kg.

O diâmetro da haste (d) é 0,01 m e a pressão atmosférica (P0) é 101 kPa.

O pistão esta em equilíbrio e a pressão no fluído hidráulico é de 250 kPa.

Determinar o módulo da força que é

exercida, na direção vertical e no sentido descendente, sobre a haste.

(36)

Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Considerando um manômetro de mercúrio utilizado para medir a pressão dentro do recipiente da figura abaixo, com altura da coluna de mercúrio de 0,24 m. A pressão atmosférica local obtida utilizando um barômetro é de 750 mm de coluna de mercúrio. Calcular a pressão dentro do recipiente.

(37)

Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Considerando o tanque esférico mostrado na figura abaixo, com diâmetro igual a 7,5 m, utilizado para armazenar gasolina e fluído refrigerante R-134a.

Determinar a pressão no tanque quando:

a) O tanque contém gasolina a 25 °C e a

pressão na superfície do líquido é 101 kPa.

b) O tanque contém fluído R-134a a 1 MPa. utilizar como referência:

massa específica da gasolina: 750 kg/m³ massa específica do R-134a: 1206 kg/m³

(38)

Sistemas Térmicos

Conceitos e Unidades

Considerando um conjunto cilindro-pistão hidráulico, de um braço telescópico, com seção de área de 0,01 m², conectado a outro conjunto com área de 0,05 m². O pistão maior esta 6m acima do pistão menor.

Admitindo a pressão atmosférica igual a 100 kPa e que a força líquida que atua no pistão pequeno é de 25 kN, determine a força que atua no pistão de maior diâmetro.

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Sistemas Térmicos

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● Sistemas Termodinâmicos e Volume de Controle

● Estado e Propriedades de uma Substância

● Processos Termodinâmicos e Ciclos

● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Lei Zero da Termodinâmica

A lei zero da termodinâmica estabelece que “quando dois corpos têm

igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si”.

Apesar desta dedução ser bastante óbvia, ela não é dedutível a partir das demais leis da termodinâmica, a primeira e segunda leis, precedendo essas leis.

 Com relação as leituras de temperatura utilizando elementos termômetros, deve-se tomar atenção com leituras realizadas a partir de instrumentos diferentes, como por exemplo, pares termoelétricos (termopares) e

termômetros de resistência.

 Dessa fato, aparece a necessidade de padronizar as leituras de temperatura em uma escala padrão para as medidas de temperatura

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Sistemas Térmicos

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● Conceitos e Unidades

● Lei Zero da Termodinâmica

● Escalas de Temperatura

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Sistemas Térmicos

Escalas de Temperatura

Escala Celsius: É a principal escala de temperatura utilizada no SI para

medições de temperatura, expressa em unidade é °C. A denominação é em homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius que a idealizou. A

temperatura de 0°C corresponde a temperatura do ponto triplo da água (estado da água em que coexistem as três fases: sólida, líquida e gasosa);

Escala Kelvin: É a escala de temperatura absoluta utilizada no SI para

medições

de temperatura, expressa em unidade K (sem o símbolo de grau);

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Sistemas Térmicos

Escalas de Temperatura

Escala Fahrenheit: Escala de temperatura utilizada principalmente pelos

países

que foram colonizados pelos britânicos, em unidade °F. Atualmente o uso dessa

escala se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos.

Escala Rankine: Escala de temperatura desenvolvida para uso científico da

escala Fahrenheit, em unidade °R. Essa escala leva o marco zero de temperatura

para o valor de zero absoluto e possui a mesma variação da escala Fahrenheit. A correlação dessas escalas com a escala Celsius é dada por: