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

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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.

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.

Exemplo de um Sistema Fronteira Sistema Vizinhança

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.

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

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.

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.

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.

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

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

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

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

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.

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.

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)

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

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 = 0,028317 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

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]

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

Medindo Pressão Manômetro Tubo Bourdon Sensor Piezoelétrico

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)

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

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.

Termômetros Termômetro de bulbo Termômetro de gás Termopar

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:

Escala Celsius Ponto de solidificação Temperatura de vapor

Escala Rankine e Fahrenheit Escala Fahrenheit

Comparação das Escalas

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.

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;

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.

Referências MORAN, Michel J. & SHAPIRO, Howard N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 4ª edição. LTC. 2002.