termodinâmica aula 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmicaTermodinâmica

Capítulo 1Capítulo 1

Alguns Conceitos e Definições

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA SumárioSumário

• Histórico• Princípios Básicos• Princípios Básicos

– Máquina a Vapor– Máquinas Térmicasq

• Definição de Termodinâmica– Importância– Rendimentos aproximados

• Volume de Controled d â• Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica

– Medindo a TemperaturaEscalas de Temperatura– Escalas de Temperatura

• Considerações Finais

11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 2


Calor e Calor e TemperaturaTemperaturaEnfoque Enfoque HistóricoHistóricoqq

• Platão (427 a.C.), Aristóteles (384 a.C.): Fogo contido nas substâncias combustíveis;

• Roger Bacon (1214): Movimento interno das partículas do corpo como sendo a causa do calor;

• Kepler (1571): Aceitava a idéia de Bacon;• Kepler (1571): Aceitava a idéia de Bacon;• Galileu (1564) e Telesius (1508), consideravam o calor

como uma espécie de fluido;• Francis Bacon (1561), Boyle (1627): Consideravam o

calor como um movimento vibratório das partículas;• Bernoulli (1700) Euler(1707): considerava que o calor• Bernoulli (1700), Euler(1707): considerava que o calor

era gerado pelo movimento das partículas de um corpo;Até lt d i í i d é l XVII E i tê i d• Até por volta do início do século XVII: Existência de duas correntes que procuram explicar o calor – Fluido e movimento de partículas;



Princípio Básico da Princípio Básico da Máquina a VaporMáquina a Vaporq pq p

• Heron de Alexandria (130 A.C.)

• Thomas Savery (1698) – 1º Máquina

• Thomas Newcomen (1705) – Aperfeiçoamento

• James Watt (1763) – Primeiro Protótipo

• James Watt (1782) Patenteou o modelo• James Watt (1782) – Patenteou o modelo padrão da máquina de vapor moderna.

• Revolução Industrial final do século XVIII.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas TérmicasMáquinas Térmicasqq

Máquina de Savery (1698) Máquina de Newcomen


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas TérmicasMáquinas Térmicasqq

1º Máquina de WATT(1763) 2º Máquina de WATT (1782)q ( ) q ( )


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definição de TermodinâmicaDefinição de Termodinâmicaçç

• Termodinâmica estuda a as relações de transferências de energia entre um sistema e seu meio ambiente e as variaçõesenergia entre um sistema e seu meio ambiente e as variações resultantes na temperatura ou mudanças de estado.

• Propriedades da matéria e correlação entre propriedadesPropriedades da matéria e correlação entre propriedades mecânica de átomos e moléculas.

• “A ciência da energia e da entropia”g p

• “A ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias que sustentam uma relação com trabalho e calor”

• “A ciência do calor”


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ImportânciaImportânciapp

Produto Interno Bruto consumo de energia~

• O consumo de energia do mundo dobra

(PIB)g

per capita~

• O consumo de energia do mundo dobra a cada 50 anos!!

• Reservas geração e racionalização da energia é umaReservas, geração e racionalização da energia é uma questão estratégica.

• Desafios para a engenharia:Desafios para a engenharia:– aperfeiçoamento do uso fontes convencionais de energia– uso mais intenso das fontes renováveisuso mais intenso das fontes renováveis– reestruturação do uso da energia (recuperação de energia)– Aumento do rendimento


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RendimentoRendimento

ÚtilEnergia=η

GastaEnergia=η

• Rendimentos típicos de algumas máquinas e d e tos t p cos de a gu as áqu astérmicas cíclicas que convertem energia química em mecânica:química em mecânica:


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximadosRendimentos aproximadospp

Máquina TérmicaCondições de

OperaçãoRendimento

(%)Máquina Térmica Operação (%) Motor de Automóvel a gasolina (velas)

ótimaestável (100 km/h)

tá l (75 k /h)

251812estável (75 km/h) 12

Motor de caminhão (diesel) carga plenameia carga

3531

Locomotiva (diesel) ótima 30Turbina a gás (75 kW)a) com regeneração ótima 16a) com regeneraçãob) sem regeneração

ótimaótima

1612

Turbina a gás ( >7500 kW)a) com regeneração ótima 34a) com regeneraçãob) sem regeneração

ótimaótima

3425

Planta a vapor ( >35000 kW ) ótima 41


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximadosRendimentos aproximadospp

C i C i (%)Conversor Tipo de Conversão Rendimento (%) Forno doméstico Química a Térmica 70

Bateria Química a Elétrica 70Bateria Química a Elétrica 70Bateria seca Química a Elétrica 90

Célula de combustível Química a Elétrica 70Motor elétrico Elétrica a Mecânica 90

Lâmpada fluorescente Elétrica a Radiante 21Elét i R di tLâmpada incandescente Elétrica a Radiante 7

Foguetes Química a Cinética 45Motores de Avião (jato) Química a Cinética 40

Turbina Elétrica Potencial a Mecânica 95


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Massa de ControleMassa de Controle


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de ControleVolume de Controle


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições TermodinâmicasDefinições Termodinâmicasçç

• Sistema: O que quer que se encontre numa dada região do espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira).

• Vizinhança do sistema:Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que podem influenciar o comportamento ou condição doinfluenciar o comportamento ou condição do sistema (pode ser isolado do sistema).

U i• Universo: União sistema-vizinhança.



DefiniçõesDefiniçõesTipos de SistemasTipos de Sistemaspp

• Sistema Aberto: “T i té i i t ”“Troca energia e matéria com o meio externo”

Ex: “lata de refrigerante aberta”• Sistema Fechado:

“Troca energia, mas não troca matéria”Troca energia, mas não troca matériaEx: “lata de refrigerante fechada”

Si t I l d• Sistema Isolado: A fronteira do sistema é totalmente i á l à i à é iimpermeável à energia e à matéria.

Ex: Uma garrafa térmica perfeitag p



Localização do Localização do Volume de ControleVolume de Controle

??Potência conhecidaPotência conhecida

Determinar quanto tempo o compressor precisa

éoperar até que a pressão no tanque

d ése reduza até um determinado valor.



Localização do Localização do Volume de ControleVolume de Controle

??Entrada e saída deEntrada e saída de ar conhecida

Determinar o consumo de energia.



• A condição de um sistema varia, em geral, no d d t N d d i t t di ã ddecurso do tempo. Num dado instante a condição de um sistema é definida pelas suas propriedades.

• Propriedade:qualquer característica quantificável de um sistema e cujo valor num dado instante é o resultado da realização, nesse instante, de uma operação, teste ou observação efetuada sobre o sistema (volume, energia, pressão, temperatura).

G d ã ã i d d fl

O valor das propriedades não depende da história, i.e do processo

Grandezas que não são propriedades: fluxos mássico e de energia, trabalho e calor.


• Estado:Condição de um sistema descrito pelas suas propriedades.

As propriedades não são todas independentes.

Um estado é caracterizado por um sub-conjunto de propriedades.

Outras propriedades são definidas a partir do referido sub conjuntoOutras propriedades são definidas a partir do referido sub-conjunto.

• Postulado de estado:O estado de um sistema simples e compressível é definido por duas propriedades intensivas i d d


independentes.


Propriedades Propriedades Intensivas e ExtensivasIntensivas e Extensivas

Imagine um alteres em equilíbrio térmico

Agora separe em partes

Massa e Volume = soma das partes Extensivasp

E a Temperatura? Intensiva



Propriedades Propriedades Intensivas e ExtensivasIntensivas e Extensivas

• As propriedades intensivas só se definem em sistemas, em equilíbrio, i.e., quando o seu valor é o mesmo em todos os pontos do psistema.

• As propriedades intensivas por unidade de• As propriedades intensivas por unidade de massa designam-se por específicas.

• As propriedades extensivas podem ser transferidas entre sistemas termodinâmicostransferidas entre sistemas termodinâmicos



• Denomina-se sistema simples e compressível f é ése não existirem efeitos elétricos, magnéticos,

gravitacionais, de movimento e de tensão superficial

Variação ou mudança de estado: ocorre, quando o valor de pelo menos uma propriedade primitiva se altera.

Nota: não confundir mudança de estado com transição de fase.

pelo menos uma propriedade primitiva se altera.

• Caminho: j l d d idconjunto completo de estados assumidos por

um sistema durante uma variação de estado.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PressãoPressão

Pressão Manométrica Positiva

Pressão Manométrica NegativaPressão Manométrica Negativa

Pressão Atmosféricaessão t os é ca


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Medição PressãoMedição Pressãoçç

• A força que age para baixo:

ALgAPmgAP atmatm ρ+=+

• Equilíbrio c/ para cima:

ALAPAP ALgAPAP atmB ρ+=

• Resultando em:LgPPP tB ρ=−=Δ LgPPP atmB ρΔ


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ManômetrosManômetros



Temperatura e a Temperatura e a Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica

• Tato e temperatura

• Taxa de Transferência de energia (potência)

• Métodos para medir quente e o frio• Métodos para medir quente e o frio

• Corpos em Temperatura diferentes


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Equilíbrio térmicoEquilíbrio térmicoqq

Figura 1. (a) Medida de temperatura do Bloco A; (b) Medida de Temperatura do bloco B.



Temperatura e a Temperatura e a Lei Lei Zero da TermodinâmicaZero da Termodinâmica

• Equilíbrio Térmico:Ausência de troca de energia- Ausência de troca de energia.

• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:“ Se o corpo A e B estiverem separadamente em

equilíbrio térmico com um terceiro corpo Cequilíbrio térmico com um terceiro corpo C,então A e B, estão em equilíbrio térmico entresi “

• TEMPERATURA (conceitualmente):( )- Propriedade que determina se um corpo está

em equilíbrio térmico com outro corpo


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermômetrosTermômetros

• Para ver se dois corpos estão a mesma temperatura ã é á i l á l t t t inão é necessário colocá-los em contato entre si,

basta verificar se estão em equilíbrio com um t i t ô tterceiro – o termômetro.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O Ponto Triplo da ÁguaO Ponto Triplo da Águap gp g

PT

P i l d á T 273 16 K P 4 58 H


Ponto triplo da água: T3= 273,16 K ; P3 = 4,58 mmHg


Termômetro de Gás Termômetro de Gás a Volume Constantea Volume Constante

Fi A T ô Gá Fig B – Gráfico típico de P x T obtido com um


Fig.A -Termômetro a Gás Fig.B – Gráfico típico de P x T obtido com um termômetro a gás a V=cte

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Célula de Ponto TriploCélula de Ponto Triplopp

Em 1954 o Comitê Internacional de Pesos e Medidas, estipulou dois pontos para calibração de termômetros:

• Zero Absoluto (273,15 K);e o bso uto ( 3, 5 );

• O ponto Triplo da água (273,16 K e 4,58 mmHg).

FIG.A – Célula de Ponto Triplo , na qual gelo (sólido), a água (Líquido) eo vapor (Gás) coexistem em equilíbrio


p ( ) q

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CálculosCálculos

• A temperatura é dada por:T = C pp = Pressão exercida pelo gásp p gC= Constante de ProporcionalidadeS l b lb l d tSe colocarmos o bulbo em uma cela de ponto

triplo:T3 = C p3

p3 = Pressão do gás no bulbop3 Pressão do gás no bulboT = T3 (p/p3) = 273,16 K ( p/p3)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pressão x TemperaturaPressão x Temperaturapp

Problema: Gases diferentes = Resultados diferentes

Fig. A - Pressão versus temperatura para gasesdiluídos.

Fig. B - Temperatura versus pressão para gasesdiluídos.

O que nos mostra o gráfico da Figura B?!!!O que nos mostra o gráfico da Figura B?!!!

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

= lim16,273 pT11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 36

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

→3

0lim16,273

pT

Pgas


TermômetrosTermômetrosCaracterísticasCaracterísticas

• Termômetros (dispositivos)P i d d Fí i• Propriedade Físicas:

1. Volume de um fluido;2. O comprimento de um sólido;3. Volume de um gás mantido a pressão g p

constante;4. Pressão de um gás mantido em volume g

constante;5. Resistência elétrica de um condutor5. Resistência elétrica de um condutor6. Cor de um corpo quente;


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termômetros UsuaisTermômetros Usuais

• Termômetro de Mercúrio/ÁlcoolCalibraçãoPonto de Fusão:0 ºC = 32 ºFP t d Eb li ãPonto de Ebulição:100 ºC = 212 ºFDiscrepâncias:Afastamento pontosAfastamento pontosde calibração.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Escalas Celsius e FahrenheitEscalas Celsius e Fahrenheit

• Grau Celsius: Tamanho igual do grau Kelvin. Usada em quase todos os países;Usada em quase todos os países;

Relação ºC/K: Tc = T – 273,15º.

• Grau Fahrenheit: Estados Unidos R l ã F/C T 9/5 T 32ºRelação F/C: TF = 9/5 Tc + 32º

dOnde:Tc = Temperatura em ºCTF = Temperatura em ºFT = Temperatura absoluta em K



Correspondência Correspondência entre entre algumas Escalasalgumas Escalasgg

Temperatura ºC ºFEbulição água 100 212Congelamento 0 32água

0 32

Zero da Escala Farenheit

-18 0FarenheitCoincidência de Escalas

-40 -40

Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit


Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CuriosidadesCuriosidades


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RevisãoRevisão

• Calor = Energia térmica em trânsito;

• Temperatura = Propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outro;um corpo está em equilíbrio térmico com outro;

• LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:

• “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em• “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C,

tã A B tã ilíb i té i tentão A e B, estão em equilíbrio térmico entre si“


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