Universidade São Judas Tadeu Faculdade de Tecnologia e Ciências Exatas Engenharia de Produção 2015
TERMOD
Termodinâmica
Roberto Ferraboli Júnior
Aula 01 em 24/02/15
Roberto Ferraboli Júnior - idade 54
FORMAÇÃO :
GRADUAÇÃO: Eng. Mec.Plena (FEI - S.B.C.- 1985)
Tecnologia Mec.– Soldagem (FATEC-SP - 1990) PÓS-GRADUAÇÃO: MSc. Eng. Mec.- Soldagem (EPUSP-1999)
DSc. Eng. Naval – Integridade Estrutural (EPUSP - 2005)
ESPECIALIZAÇÃO: Gestão Empresarial e Tecnológica de Indústrias Químicas (UFRJ – 2006) Gestão de Projetos (FGV – 2007)
EXPERIÊNCIA PROFISSIONAL:
02 anos em Montagem Industrial Pesada – AAraújo Engenharia e Montagens – 1986 a 1987 (Engenheiro Mecânico) 10 anos Indústria Química – Unipar Divisão Química – 1987 a 1997 (Engenheiro de Planejamento, Inspeção Projetos) 04 anos Indústria Petroquímica – OPP Petroquímica – 1997 a 2001 (Coordenador de Manutenção)
14 anos Indústria Petroquímica – Braskem – 2001 a 2015 (Coordenador de Manutenção e Paradas)
25 anos área Docente – Universidade São Judas, Universidade de São Paulo e Faculdade Oswaldo Cruz - a partir de 1990
• foto INFORMAÇÕES PESSOAIS Amanda: 21 anos Relações Internacionais Amira: 21 anos Relações Internacionais
1 – Conceitos e Definições: sistema e volume de controle, estado e
propriedades, processo e ciclos, volume específico, pressão e temperatura, lei zero da termodinâmica;
2 – Escalas de Temperatura e Propriedades de uma Substância Pura, equilíbrio das fases vapor-líquido-sólido numa Substância Pura;
4 – Propriedades Independentes de uma Substância Pura;
5 – Tabela de propriedades termodinâmicas, Diagrama de "Mollier";
6 – Gás Perfeito, Trabalho e Calor: definições, unidades, trabalho em um processo quasestático, comparação entre trabalho e calor;
7 – Primeira Lei da Termodinâmica, para um sistema percorrendo um ciclo, para mudança de estado;
8 – Energia Interna, Entalpia, Calor Específico a volume e pressão constante;
9 – Equações da Primeira Lei;
10 – Segunda Lei da Termodinâmica: enunciados de "Kelvin-Planck", e "Clausius", processos reversíveis e irreversíveis;
11 – Terceira Lei da Termodinâmica;
12 – Entropia: Desigualdade de Clausius, variação de entropia em processos reversíveis, princípio do aumento da entropia, variação da entropia para sólidos e líquidos, e gás perfeito;
RELEVÂNCIA DO TEMA
- Conhecimento para permitir o domínio de conceitos clássicos pertinentes à energia térmica e suas transformações, para o entendimento de fenômenos diversos ocorridos em equipamentos, em processos e sistemas gerais de transformação energética ;
- Conhecimento que fornece subsídios para a contribuição em Segurança Pessoal, Segurança de Processo, Qualidade dos Processos, Saúde do Trabalhador e Preservação do Meio Ambiente;
- Conhecimento estratégico que reúne dados para contribuição em trabalhos de otimização e melhorias de Processo e Engenharia; - Conhecimento que contribui com o aprimoramento dos
1 – Conceitos Fundamentais
Ciências Térmicas : É um conjunto de disciplinas intimamente
relacionadas, que tratam de diversos aspectos relacionados à energia. As disciplinas a que nos referimos são : Termodinâmica, Mecânica Dos
Fluidos e a Transferência De Calor.
Energia : É a forma de manifestação de um potencial. No caso das
Ciências Térmicas, as formas de manifestação mais comuns são : Calor e Trabalho.
A Ciência Térmica mais básica é a Termodinâmica, que em associação às leis da dinâmica, proporciona o conhecimento sobre o que se
desenvolvem as relações usadas no estudo da Mecânica dos Fluidos e da Transferência de Calor.
1 – Conceitos Fundamentais
Mecânica dos Fluidos : É a disciplina ou ciência térmica que lida com o
transporte de energia e resistência ao movimento, associados ao escoamento dos fluidos.
Transferência de Calor : É a disciplina ou ciência térmica que descreve a
transferência de uma determinada forma de energia como decorrência de diferenciais de temperatura.
1 – Conceitos Fundamentais
Termodinâmica : É a disciplina ou ciência térmica que se preocupa com o
estudo das transformações da energia e o relacionamento entre as várias grandezas físicas de uma substância, afetadas por aquelas
transformações energéticas. Envolve o estudo da energia associada a uma certa quantidade de matéria, ou com um volume bem definido do espaço. A quantidade fixa de matéria é chamada de Sistema
Termodinâmico, enquanto que o volume bem definido do espaço é denominado Volume de Controle.
1 – Conceitos Fundamentais
Termodinâmica :
O estudo da energia associada a um Sistema Termodinâmico é
relativamente simples. A energia pode entrar ou deixar o Sistema em
questão, e ainda ser transferida por apenas duas formas : calor e trabalho. Se a transferência de energia for devida à diferença de temperatura entre o Sistema em estudo e a sua vizinhança ( meio ), ela se dará sob a forma de calor, caso contrário, será transferida sob a forma de trabalho.
O trabalho é uma forma de energia transferida através da fronteira do Sistema, podendo se manifestar sob as formas : mecânica ou elétrica, sendo que o nosso estudo se concentrará exclusivamente no trabalho mecânico.
SISTEMA : É a quantidade de matéria, de massa e identidade fixas, que se configura no objeto de nossa análise termodinâmica. O sistema é uma fração definida do exterior que o envolve.
VOLUME DE CONTROLE : Em muitos casos, onde devemos realizar o estudo termodinâmico de um equipamento, fazemos uso de um outro conceito de análise. Um conceito relacionado com os fluxos de massa, é o volume de controle.
OBS.:
1 - Os termos Sistema Aberto, e Sistema Fechado, são
usados de forma equivalente aos termos Volume de
Controle e Sistema.
2 - Sistema > massa fixa.
Volume de Controle > Fluxo de massa.
PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS : Uma propriedade termodinâmica pode ser qualquer característica observável da substância que integra um sistema ou volume de controle.
ESTADO : Podem existir trocas de energia entre o sistema e o meio que o envolve, podendo ser mensuradas através de instrumentos, tais como :
termômetros, manômetros, densímetros. O estado pode ser definido por certas propriedades macroscópicas, identificáveis, como : pressão, temperatura, densidade. Concluímos que uma propriedade pode ser definida como uma
"quantidade" que depende do estado do sistema, e é independente do caminho pelo qual o sistema chegou àquele estado. Portanto, um estado é especificado pelas propriedades, existindo um número mínimo das mesmas para definí-lo.
OBS. :
1 - Propriedades Intensivas : são as que não
dependem da massa do sistema
( temperatura, pressão, densidade ) .
2 - Propriedades Extensivas : são as ligadas
intimamente à quantidade de massa
do sistema ( massa, volume total ) .
PROCESSO : As trocas de energia entre um sistema e um meio, podem atingir um estado de equilíbrio, onde não mais existe o fluxo de energia.
Quando um sistema se transforma de uma situação de equilíbrio, ele realiza um processo, no qual uma ou mais propriedades se modificam. O sistema pode agir de comum acordo com o meio, de modo que possam haver trocas de energia,
produzindo modificações consideradas benéficas, tanto para o sistema, como para o meio.
CICLO : Um ciclo termodinâmico é uma série de mudanças de estado, onde o estado de equilíbrio final é idêntico ao estado de equilíbrio inicial.
UNIDADES : Como as propriedades termodinâmicas são grandezas de qualidade macroscópica, podem ser medidas ou verificadas direta , ou indiretamente. As
grandezas básicas fundamentais, que têm relação com todas as propriedades e medidas físicas são : Tempo, Espaço, Massa, Temperatura Absoluta e Corrente Elétrica. As dimensões são :
[ Tempo ] : T [ Espaço ] : L [ Massa ] : M [ Temperatura Absoluta ] : Ta [ Corrente Elétrica ] : I
1 – Conceitos Fundamentais
SISTEMAS DE UNIDADES : São os conjuntos de unidades
utilizados, em que a base é formada pelas grandezas básicas
fundamentais. Os mais utilizados são :
- Sistema Internacional SI ;
- Sistema Métrico Prático ;
- Sistema Prático Inglês .
SISTEMA MASSA COMPRIMENTO TEMPO FORÇA GC SPI SMP lbm kg ft m s s lbf kgf 32,174lbm.ft/ lbf.s2 9,8067kg.m/ kgf.s2 SI kg m s N 1,0kg.m/N.s2 SISTEMA MASSA COMPRIM
ENTO TEMPO FORÇA GC SPI SMP lbm kg ft m s s lbf kgf 32,174lbm. ft/ lbf.s2 9,8067kg. m/ kgf.s2 SI kg m s N 1,0kg.m/N. s2
1 – Conceitos Fundamentais
Nos Sistemas Práticos, a unidade de força é o
kilograma-força e a libra-kilograma-força, respectivamente nos Sistemas
Métrico e Inglês. Tanto o kgf como a lbf , não são
definidos a partir da Segunda Lei de Newton, e sim , por
um procedimento experimental descrito :
- eleva-se a unidade de massa no campo gravitacional
terrestre, em um local onde a aceleração da gravidade
assume um determinado valor, padronizando-se os
efeitos de flutuação atmosférica. A força com que é , a
unidade de massa, atraída pela Terra, é definida como
Unidade de Força, e assim teremos :
1 - SPI : Pela Segunda Lei de Newton :
F = 1,0 lbm . 32,174 ft/s2 , então, para definirmos
[ F ] = 1,0 lbf , deveremos utilizar uma constante de
proporcionalidade que é o GC . Portanto :
F = 1,0 lbm . 32,174 ft/s2 / 32,174 ft / s2 ,
portanto , [ F ] SPI = 1,0 lbf = 1,0lbm . 32,174
ft/s2
[ F ] SPI = 1 lbf
2 - Analogamente, os alunos devem verificar para o
1 – Conceitos Fundamentais
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
1 - VOLUME ESPECÍFICO : Por definição, temos que Volume Específico
é a relação entre o volume e a massa do sistema. Identificado por v. O volume específico está relacionado com um ponto do sistema, como podemos avaliar pela definição matemática :
v = lim V onde V' é o menor volume que podemos m considerar da massa do sistema que,
V V’ garanta a continuidade do mesmo.
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
Como os sistemas que por nós serão considerados são relativamente pequenos, podemos falar em v ( volume específico do sistema ) , já que suas variações serão insignificantes.
v = V ( volume do sistema ) _____________________ > [ v ] = [ V ] / [ m ] > [ v ] = L3 . M-1 m ( massa do sistema ) SPI > [ v ] = ft3 / lbm SMP > [ v ] = m3 / kg SI > [ v ] = m3 / kg
2 - DENSIDADE : Por definição, temos que , densidade é a relação entre a massa e o volume do sistema
considerado, indicada por [ ] . = m ( massa do sistema ) ____________________ > [ ] = [ m ] / [ V ] > [ ] = M . L-3 > V ( volume do sistema ) SPI > [ ] = lbm / ft3 SMP > [ ] = kg / m3 SI > [ ] = kg / m3 21
1 – Conceitos Fundamentais
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
3 - Energia : Em Termodinâmica, um conceito muito importante é a
“energia”. Sob o aspecto macroscópico, está associada sempre à
ocorrência de um efeito em um sistema, efeito este que culminará em alteração de propriedades e mudança de estado. A energia pode ser acumulada e transferida em um sistema, ou entre sistemas.
Sob o ponto de vista microscópico, os modos pelos quais a energia se acumula em um sistema são :
a ) Energia Potencial intermolecular, associada às forças entre as moléculas;
b ) Energia Cinética molecular que é associada à velocidade de translaçào das moléculas;
c ) Energia Intramolecular ( de cada molécula ), associada à estrutura
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
4 - PRESSÃO : Definimos matematicamente a pressão como :
p = lim Fn
A > A' _____ , onde : A
A' - menor quantidade de área sobre a qual podemos considerar o sistema como um meio contínuo;
Fn - elemento de força normal à superfície considerada . [ p ] = [ Fn ] / [ A ] > [ p ] = [ F ] . L-2 SPI > [ p ] = lbf / ft2 SMP > [ p ] = kgf / m2 SI > [ p ] = N / m2 Pascal
1 – Conceitos Fundamentais
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
Escalas de Pressão :
PRESSÃO ABSOLUTA ( + ) PRESSÃO EFETIVA ( + )
PRESSÃO ATMOSFÉRICA MEDIDA PELO BARÔMETRO
PRESSÃO ABSOLUTA ( - ) PRESSÃO EFETIVA ( - )
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
P ABS = P EF + P ATM
Relações de ordem de grandeza :
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
5 - LEI ZERO DA TERMODINÂMICA :
A sensação de estar frio ou quente é determinada pelo nível de energia que caracteriza as propriedades do estado do sistema . Uma das formas de mensurarmos esta
sensação, chamamos de "medir a temperatura ".
Quando mantemos dois corpos , com diferentes temperaturas em contato, manifesta-se uma tendência natural de igualdade de temperatura .
"Quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si ".
A comparação da temperatura de dois corpos, lida em diversos tipos de instrumentos, gera a necessidade de estabelecermos escalas de temperaturas.
A escala de temperatura utilizadas no Sistema Métrico Prático é a escala CELCIUS (C ).
DEFINIÇÕES IMPORTANTES :
Para os Sistemas Práticos, temos a adoção da escala CELCIUS para o Sistema Métrico Prático, e FAHRENHEIT para o Sistema Prático Inglês.
Escalas absolutas devem ser utilizadas por necessidade da Segunda Lei da Termodinâmica. As escalas relacionadas às escalas termométricas são : Relações : K = C + 273,15 R = F + 459,67 C = 5/9 ( F - 32 ) R = 1,8 K
1 – Conceitos Fundamentais
PRIMEIRA LISTA DE EXERCÍCIOS
1 - Uma aceleração de 25 g é fatal para a maioria dos acidentes automobilísticos. Que força atua sobre um homem de massa 160 lb, ou 72,57 kg, quando submetido a esta aceleração ?
4000 lbf 1814,25 kgf 17780 N
2 - Imagine que numa estação orbitando, seja produzida por rotação da estação, uma gravidade artificial de 2,0 m/s2.Quanto pesaria um homem de massa 60 kg que
estivesse em seu interior ? 12,24 kgf
