Conceitos Introdutórios e Definições

Apresentação em tema: "Conceitos Introdutórios e Definições"— Transcrição da apresentação:

1 Conceitos Introdutórios e Definições
UTFPR – Termodinâmica 1 Conceitos Introdutórios e Definições Princípios de Termodinâmica para Engenharia Capítulo 1

2 Por que estudar Termodinâmica ?
Na Produção de Energia ... Nas altas tecnologias ... No seu carro ... Na sua casa ... Até mesmo ... em você !!! Porque ela está presente em tudo !!!

3 Objetivos Apresentar alguns conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica aplicada à engenharia; O engenheiro está, geralmente, se está interessado em estudar sistemas e como eles interagem com suas vizinhanças.

4 Conceitos e Definições
Sistema é tudo aquilo que desejamos estudar; Vizinhança é tudo aquilo que é externo ao sistema; O sistema é separado de sua vizinhança por uma fronteira especificada que pode estar em repouso ou em movimento.

5 Exemplo de um Sistema Fronteira Sistema Vizinhança

6 Tipos de Sistema Defini-se sistema fechado quando uma certa quantidade de matéria encontra-se em estudo. Também é denominado de massa de controle. Um sistema fechado que não interage com suas vizinhanças é denominado sistema isolado; Volume de controle é definido como uma região do espaço através da qual a massa pode escoar. Também é denominado sistema aberto; Fronteira também é denominada superfície de controle.

7 Exemplos de tipos de sistemas
Sistema fechado (massa de controle) Volume de controle (sistema aberto)

8 A Termodinâmica Clássica
A Termodinâmica Clássica se preocupa com o comportamento geral ou global de sistemas de interesse; Também denominada de visão macroscópica; A Termodinâmica Clássica não utiliza os modelos da estrutura da matéria em nível molecular e atômico; Oferece uma abordagem mais direta para a maioria do problemas; Utiliza uma complexidade matemática bem menor.

9 A Termodinâmica Estatística
A Termodinâmica Estatística se preocupa diretamente com a estrutura da matéria; Esta é conhecida como uma abordagem microscópica; A Termodinâmica Estatística objetiva estudar o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e relacionar isto com a abordagem macroscópica.

10 O Conceito de Propriedade
Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo, sem o conhecimento da história do sistema. A temperatura, o volume, e a massa das pedras de gelo são exemplos de propriedades.

11 Definições de Estado e Processo
Estado é uma condição de um sistema descrito por suas propriedades Se nenhuma propriedade muda com a variação do tempo: o sistema está em regime permanente Tempo Processo Processo é quando uma das propriedades é alterada, ou seja, quando o estado muda

12 O Ciclo termodinâmico Um Ciclo termodinâmico é uma seqüência de processos que se inicia e termina em um mesmo estado Processo Processo

13 Propriedade ou não-Propriedade ?
Uma quantidade é uma propriedade se, e somente se, sua mudança em valor entre dois estados é independente do processo; Ou seja, só depende dos estados extremos e não dos detalhes do processo. Propriedade: Massa Não-propriedade: Calor

14 Propriedades extensivas e intensivas
Uma propriedade é extensiva se o seu valor para um sistema é a soma de todas as partes que o compõem; Uma propriedade intensiva é aquela que varia ao longo do sistema em determinado momento. A massa total é a soma das massas das partes A temperatura é a mesma para cada parte

15 Fase e substância Fase é uma quantidade de matéria que é homogênea como um todo em composição química e em estrutura física; Substância pura é aquela cuja composição química é uniforme e invariável. Copo com gelo e água: Duas fases; Uma substância pura. Copo com água e óleo: Duas fases; Um estado da matéria.

16 Equilíbrio É uma condição de estabilidade utópica; Se, ao se isolar um sistema de suas vizinhanças não se observar mudanças em suas propriedades dizemos que ele está em um estado de equilíbrio.

17 Processos Reais Em processos reais, ou de não-equilíbrio, as propriedades variam com o tempo e o espaço, às vezes, caoticamente; Pode-se, por uma aproximação infinitesimal do processo, obter-se o que é chamado de processo em estado de quase-equilíbrio (ou quase-estacionário)

18 SI (Sistema Inter. de Unid.) (Sistema Inglês de Unidades)
Sistemas de Unidades SI (Sistema Inter. de Unid.) (Sistema Inglês de Unidades) Quantidade Unidade Símbolo massa quilograma kg libra-massa lb comprimento metro m pé ft tempo segundo s força newton (= 1 kg.m/s²) N libra-força (= 32,1740 lb.ft/s²) lbf

19 Sistemas de Unidades 1 kg = 2,2046 lb → 1 lb = 0,4536 kg 1 m = 3,2808 ft → 1 ft = 0,3048 m 1 ft3 = 0, m3 → 1 m3 = 35,315 ft3 1 lbf = 4,4482 N → 1 N = 0,22481 lbf T(oR) = 1,8 T (K) T(oC) = T(K) – 273,15 T(oF) = T(oR) – 459,67

20 Volume específico Utilizando o conceito de meio contínuo, ou seja, a hipótese de que a matéria é uniformemente distribuída ao longo de uma região, tem-se: Massa específica, massa por unidade de volume [kg/m³] Menor volume para o qual vale a hipótese do contínuo Volume específico, volume por unidade de massa [m³/kg] Volume ocupado por um kmol da substância [m³/kmol] é o Volume molar Peso molecular da substância [kg/kmol]

21 Pressão Com a hipótese do meio contínuo, considera-se uma pequena área A. O fluído de um dos lados desta área exerce uma força compressiva. E o do outro lado exerce uma força igual. Assim tem-se: Força de compressão Pressão 1 pascal = 1 N/m² 1 KPa = 10³ N/m² 1 bar = 105 N/m² 1 MPa = 106 N/m² 1 atm = 1,01325x105 N/m² Menor área para a qual vale a hipótese do contínuo

22 Medindo Pressão Manômetro Tubo Bourdon Sensor Piezoelétrico

23 Pressão Absoluta e Relativa
Os dispositivos freqüentemente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente, externa ao dispositivo de medida. A magnitude dessa diferença é chamada pressão manométrica ou pressão de vácuo. P(manométrica) = P(absoluta) – Patm (absoluta) P(vácuo) = Patm (absoluta) – P(absoluta)

24 Conceitos de temperatura
Imagine dois corpos um mais quente que o outro, pode-se então definir: Interação térmica, quando os dois corpos trocam calor; Equilíbrio térmico, quando não há troca de calor; Se dois corpos estão em equilíbrio, logo eles possuem a mesma temperatura; Processo adiabático, quando o processo é isolado e não interage com suas vizinhanças; Processo isotérmico, quando o processo ocorre a temperatura constante. Calor Calor Calor Temperatura

25 Medindo Temperatura A lei zero da termodinâmica diz que se dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo, eles estão em equilíbrio entre si. Este terceiro corpo é usualmente um termômetro, que utiliza uma propriedade termométrica para medir a temperatura de um dado corpo.

26 Termômetros Termômetro de bulbo Termômetro de gás Termopar

27 Escalas de temperatura
As escalas são definidas por um valor numérico associado a um ponto fixo padrão; A escala Kelvin utiliza o ponto triplo da água como padrão fixo; O ponto triplo da água é 273,16 kelvins, e o intervalo entre o ponto de gelo e o ponto de vapor d’água 373,15 kelvins é 100 K; A escala de gás é derivada destes conceitos, e leva em consideração a pressão do gás de um termômetro de gás, conforme a relação:

28 Escala Celsius Ponto de solidificação Temperatura de vapor

29 Escala Rankine e Fahrenheit
Escala Fahrenheit

30 Comparação das Escalas

31 Projeto de Engenharia e Análise
Um projeto de engenharia é um processo de tomada de decisão, que considera inúmeros fatores condicionados para se resolver um problema, ou atender a uma necessidade ou oportunidade; Para se realizar uma análise termodinâmica é preciso a definição do sistema e das interações com suas vizinhanças. Também é preciso criar um modelo de engenharia, que é uma representação simplificada do problema.

32 Metodologia para solução de problemas
DADO : Enuncie de forma concisa em suas próprias palavras o que se conhece; PEDE-SE : Enuncie concisamente em suas próprias palavras o que deve ser determinado; DIAGRAMAS E DADOS FORNECIDOS : Desenho um esboço do problema. Veja se é um sistema fechado ou volume de controle, identifique as fronteiras. Liste todos os valores fornecidos e antecipe alguns que podem ser necessários;

33 Metodologia para solução de problemas
HIPÓTESES : Liste todas as hipóteses simplificadoras e idealizações feitas a fim de tornar o problema viável; ANÁLISE : Trabalhe o máximo possível com as equações antes de inserir os dados numéricos. Identifique as tabelas, gráficos ou equações para as propriedades que forneçam os valores desejados. Verifique cuidadosamente se o sistema de unidades é consistente. Finalmente pondere se os valores finais e sinais algébricos são razoáveis.

34 Referências MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC