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TMA 00a 1 – Conceitos básicos 2 – Comportamento de gases 3 – As leis da termodinâmica 3.1 – A primeira lei da termodinâmica 3.2 – A segunda lei da termodinâmica.

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1 TMA 00a 1 – Conceitos básicos 2 – Comportamento de gases 3 – As leis da termodinâmica 3.1 – A primeira lei da termodinâmica 3.2 – A segunda lei da termodinâmica 3.3 – Representação matemática da primeira e da segunda lei 3.4 – Relações matemáticas entre a primeira e a segunda lei 4 – Termodinâmica e as reações químicas 5 – Equilíbrio 6 – Compostos Simples 7 – Soluções 8 – Diagrama de equilíbrio regra das fases Diagramas de equilíbrio binário Diagramas de equilíbrio ternário 9 – Diagrama de Ellingham Ementa

2 TMA 00b Material Didático Livro Texto Principal

3 TMA 00c Material Didático Textos específicos em – Termodinâmica em materiais MUSGRAVE, Charles B., Thermodynamics and Materials Science ; Departments of chemical engineering and materials science and engineering. GASKELL, David R.; Introduction to metallurgical thermodynamics. Mc Graw-hill book company. New York, 1981, 610p. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol I. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. RAGONE, D.V.; Thermodynamics of materials Vol II. John Wiley & Sons, New York, 1995, 309. ADAMIAN, Rupen, ALMENDRA, Ericksson. Físico- Química, Uma aplicação aos materiais. Rio de Janeiro, 2002, 606p.

4 TMA 00d Material Didático Textos em Termodinâmica química ou Físico-Química ATKINS, P.W.; Fisico-Química Vol 1. Editora LTC, Rio de Janeiro, 1999, 251. SMITH, J.M.; Introdução à termodinâmica da Engenharia Química. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2000, 697 Textos – Diagramas de equilíbrio SEGADÃES, Ana Maria; Diagramas de fases, Teoria e aplicação em cerâmica. Editora Edgard blucher LTDA. São Paulo, 1987, 184p. BERGERON, Clifton G.; Introduction to phase equilibria in ceramics. The American Ceramic Society Inc., Columbus, Ohio, 1984,156p.

5 TMA 01 Britânicos inventam ovo cozido "auto-cronometrado" espectro bastante abrangente como ciência da ENERGIA relações entre as PROPRIEDADES da matéria. Termodinâmica é conhecida desde a Antigüidade Estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz. Atualmente Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança

6 TMA 02 O que é termodinâmica? A Termodinâmica está associada ao estudo de formas de energia e como esta pode ser convertida em outras formas de energia e trabalho. Termodinâmica clássica: Tem seus conceitos focalizados na análise de propriedades macroscópicas do sistema e o estudo da relação entre estas propriedades. Baseia-se no estudo de fenômenos e na determinação empírica das relações de interesse. – SISTEMA TRATADO COMO CONTÍNUO A termodinâmica clássica fornece as ferramentas físicas e matemáticas para determinar como as propriedades de um material serão alteradas em função de alterações do sistema.

7 TMA 02 O que é termodinâmica? Termodinâmica estatística: Utiliza como ferramenta a descrição estatística do comportamento do sistema a parir do comportamento de cada átomo do sistema, individualmente. A termodinâmica estatística parte do princípio que conhecendo o comportamento do material a nível microscópico é possível prever suas propriedades macroscópicas.

8 TMA 03 O que é termodinâmica? Termodinâmica clássica X Termodinâmica estatística Para a grande maioria das aplicações em engenharia, a TERMODINÂMICA CLÁSSICA não somente propicia uma abordagem mais direta para análise e projeto mas também requer menos complicações matemáticas.

9 TMA 04 Termodinâmica – Energia - Materiais Comprimento de ligação F F r E o Energia de ligação Energia (E) r o r Comprimento de ligação Energia de Ligação

10 TMA 05

11 TMA 06 Termodinâmica – Energia - Materiais Formação de defeitos

12 TMA 07 Termodinâmica – Temperatura - Materiais Transformação de fase Diagrama de Equilíbrio

13 TMA 08 Termodinâmica – Temperatura - Materiais Diagrama de Equlíbrio

14 TMA 09 SHS

15 TMA 10 Cientistas estudam as efervescentes cócegas no nariz provocadas pelas emanações aromáticas, característica excitante e inconfundível do seu encanto A QUÍMICA QUE ESTRUTURA AS BOLHAS DO CHAMPANHE

16 TMA 11 No CHAMPANHE e nas cervejas, o dióxido de carbono ( CO 2 ) é o principal responsável pela formação de bolhas, originadas quando o levedo fermenta os açúcares, convertendo-os em moléculas de álcool e CO 2. A carbonatação industrial é a fonte da fermentação nas bebidas gasosas. Após o engarrafamento, estabelece-se um equilíbrio, de acordo com a lei de Henry, entre o CO 2 dissolvido no líquido e o gás que está no espaço sob a rolha ou a tampa. A lei afirma que a quantidade de gás dissolvida em um fluido é proporcional à pressão do gás com o qual está em equilíbrio. Quando o recipiente é aberto, a pressão do CO 2 gasoso sobre o líquido cai abruptamente, rompendo o equilíbrio termodinâmico até então prevalecente. Como resultado, o líquido é supersaturado com moléculas de CO 2. lei de Henry Equilíbrio equilíbrio termodinâmico

17 TMA 12 Para recuperar uma estabilidade termodinâmica correspondente à pressão atmosférica, as moléculas de CO 2 devem abandonar o fluido supersaturado. Quando a bebida é vertida em um copo, dois mecanismos permitem que o CO 2 dissolvido escape: a difusão do líquido através da superfície livre e a formação de bolhas. Mas, para que se agrupem em bolhas embrionárias, as moléculas dissolvidas de dióxido de carbono são forçadas a abrir caminho através das moléculas líquidas agregadas, que estão fortemente ligadas pelas forças de van der Waals (atração bipolar). Assim, a formação de bolhas é limitada por esta barreira de energia; para superá-la são necessárias taxas de supersaturação mais elevadas que as de bebidas carbonatadas. estabilidade termodinâmica barreira de energia;

18 TMA 13 Em líquidos fracamente supersaturados, incluindo champanhe, vinhos espumantes, cervejas e sodas, a formação de bolhas, exige cavidades de gás preexistentes com raios de curvatura extensa o suficiente para superar a barreira de nucleação de energia e desenvolver-se livremente. Isto se dá porque a curvatura da interface da bolha acarreta um excesso de pressão no interior da bolsa de gás que é inversamente proporcional ao seu raio (de acordo com a lei de Laplace).Quanto menor a bolha, maior o excesso raios de curvatura barreira de nucleação de energia curvatura interface

19 TMA 14 Resumo de termodinâmica As leis da termodinâmica: Fornecem as regras básicas que governam as relações entre variáveis de um sistema. De uma forma geral, são as restrições que a natureza impõe ao processo de transformação de energia. Definições termodinâmicas: São definidos parâmetros como capacidade calorífica, compressibilidade, coeficiente de expansão térmica, entalpia, energia livre de Helmoltz e energia livre de Gibbs. Variáveis termodinâmicas: O estado de um sistema é definido em função dos valores de algumas propriedades, ou variáveis do sistema. As diferentes variáveis que podem ser usadas para descrever este estado incluem energia, entropia, composição química, temperatura, pressão e volume.

20 TMA 15

21 TMA 16 Resumo de termodinâmica Funções de estado: Está associado com variáveis onde o processo depende apenas das condições iniciais e finais, e independe da história do sistema. Relações matemáticas: Existem quatro relações que podem ser determinadas a partir de funções de estado. Estas relações são denominadas por relações de Maxwell. Condições de equilíbrio: Um sistema está em equilíbrio quando todas as suas propriedades são independentes do tempo e são função apenas de suas variáveis de estado. Deve-se tomar cuidado com esta definição já que em algumas situações a variação de uma propriedade com o tempo é muito lenta, podendo ser confundido com uma condição de equilíbrio.

22 TMA 17 Definições - Sistema Sistema : Refere-se à região macroscópica do universo definida e selecionada para análise. Pode ser de qualquer tamanho, podendo até ser considerado todo o universo como um sistema. SISTEMA VIZINHANÇA FRONTEIRA

23 TMA 18 Definições – Tipos de Sistemas Aberto : É aquele em que existe troca de energia e troca de massa entre sistema e vizinhança Fechado: É aquele em que existe troca de energia mas não existe troca de massa. Isolado: Sistemas onde não ocorre troca de material ou energia.

24 TMA 18 Definições – Tipos de Sistemas Sistemas puros ou compostos: Sistemas puros são aqueles constituídos por uma substância. Esta substância pode ser um elemento atômico (Silício) ou uma molécula (água pura). Multicomponentes apresentam várias substâncias. Homogêneo ou Heterogêneo: Um sistema homogêneo tem uma única fase. Um sistema heterogêneo apresenta várias fases. Reativo ou não reativo: sistemas reativos envolvem a formação ou dissociação de ligações químicas. Simples ou complexo: Um sistema simples é aquele que não é influenciado por energias diferentes da energia mecânica, química ou térmica.

25 TMA 19 Definições - Sistema Sistema : SISTEMA VIZINHANÇA FRONTEIRA SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE

26 TMA 20 Definições – Função de estado Funções de estado: São variáveis ou propriedades de um sistema que são independentes da história do sistema, dependendo apenas do estado inicial e final do sistema. As funções de estado não dependem do processo pelo qual o sistema foi levado a este estado. EXEMPLO - Temperatura

27 TMA 21 Definições – Função de estado (outra definição) Características MACROSCÓPICAS de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não dependem da história do sistema. Uma determinada quantidade (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo.

28 TMA 22 Definições – Estado Condição do sistema, como descrito por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto. PROCESSO: Mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades. ESTADO ESTACIONÁRIO: Nenhuma propriedade muda com o tempo. CICLO TERMODINÂMICO: Seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado. Exemplo: vapor circulando num ciclo de potência.

29 TMA 23 Definições – Variável de sistema Variáveis do sistema: Ao contrário das funções de estado, as variáveis do sistema são definidas apenas quando o processo que foi seguido para ir do estado A ao estado B é conhecido. Assim, a variável de processo é a variável que não é definida para estados de um sistema e tem sentido apenas quando se fala no movimento de um estado para outro. EXEMPLO - calor (Q) e o trabalho (W). Q1Q1 W1W1 Q2Q2 W2W2 Q3Q3 W3W3

30 TMA 24 Definições – Propriedade intensiva x extensiva Propriedades intensivas: são aquelas que não dependem do tamanho do sistema e podem ser especificadas para qualquer ponto do sistema. Não são aditivas Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema. Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento. Exemplo: temperatura e pressão. Propriedades extensivas: são aquelas que não podem ser especificadas para um ponto particular e dependem do tamanho do sistema. Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido. Dependem do tamanho e extensão do sistema. Seus valores podem variar com o tempo. Exemplo: massa, energia, volume.

31 TMA 25 Quantidade Quantidade molar (X m )- Propriedade extensiva (X) de uma substância dividido pela quantidade de matéria presente (n) EXEMPLO: volume molar, massa molar Quantidade parcial molar (X i )- Propriedade extensiva (X) de um sistema composto, em função da variação da quantidade de uma substância A presente. EXEMPLO: O volume parcial molar de uma substância A em uma mistura é a variação do volume da mistura provocada pela variação da quantidade do componente A (v A )

32 TMA 26 Fase e Substância Pura FASE Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição química quanto em estrutura física. Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa. Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu vapor. Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para formar uma única fase. SUBSTÂNCIA PURA É invariável em composição química e é uniforme. Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição acima.

33 TMA 27 Método para resolver um problema Os primeiros passos em uma análise termodinâmica são: 1 - Definição do sistema; 2 - Identificação das interações relevantes com a vizinhança. 3 - Estabelecer: O que é conhecido: resumir o problema em poucas palavras; O que é procurado: resumir o que é procurado; 4 - Esquema e dados: Definir o sistema; identificar a fronteira; Anotar dados e informações relevantes; Hipóteses; Análise: feita sobre as equações (conservação da massa, conservação da energia, segunda lei da termodinâmica); Comentários: interpretar.

34 TMA 28 Unidades Tabela 1.1. Comparação SI e Sistema Inglês Comprimento: 1 ft = 12 in (polegadas) = 0,3048 m Massa: 1 lbm = 0, kg Força : F= ma 1 N = 1 (kg) x 1 (m/s2) 1 lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s2) 1 lbf = 4, N Tabela 1.4. SI Unidades - Prefixos

35 Unidades Tabela 1.5. Fatores de Conversão entre unidades SI e do Sistema Inglês TMA 29


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