termodinâmica e sistemas térmicos · sistemas e volumes de controle •volume de controle...
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Introdução – o que é termodinâmica• Termo – refere-se ao calor
• Dinâmica – força ou movimento
• Atualmente é uma ciência que trata da transformação de todas as formas de energias
• As aplicações dessa ciência são baseadas em
Propriedades simples – Pressão, Temperatura,
Volume, Composição Química e Massa
• Motores, refrigeração, uso do petróleo,
celulose, tratamento de minérios, etc.
Histórico – Usos da energia
• Domínio do fogo
• Tecnologias para uso do vento na propulsão de navios/moinhos
• Conversão de calor em trabalho (força x deslocamento)
• ....
• Máquinas térmicas de Newcomen(1712) e de Watt (1763)
• Desenvolvimento de motores
A máquina de Newcomen (1712)1. Injeção de vapor em alta pressão e
temperatura no pistão
2. Condensação do vapor por meio da injeção de água fria, criando vácuo parcial no pistão
3. Ação da pressão atmosférica contra o pistão, gerando força de tração da haste
4. Reinício do ciclo
Conversão de calor em trabalho mecânico
Sistemas e volumes de controle• Sistema – quantidade de matéria
selecionada para o estudo de sua energia
• Vizinhança – massa ou região fora do sistema
• Fronteira – interface que separa o sistema de sua vizinhança
Sistemas e volumes de controle• Sistema aberto – permite fluxo de matéria e de
energia
• Sistema fechado – permite fluxo de energia, mas não de matéria
• Sistema isolado – não permite fluxo de matéria nem de energia
Sistemas e volumes de controle
• Fronteira permeável – permite fluxo de matéria
• Fronteira impermeável – não permite o fluxo de matéria
• Fronteira diatérmica – permite o fluxo de calor
• Fronteira adiabática – não permite o fluxo de calor
• Fronteiras podem ser móveis ou fixas, reais ou imaginárias
Sistemas e volumes de controle• Volume de controle – trata-se de um sistema aberto que envolve fluxo de
massa
• Massa de controle – sinônimo de sistema fechado
• Nesses casos, as fronteiras passam a se chamar superfície de controle
Pontos de vista microscópico e macroscópico• Podemos abordar o que acontece em um sistema sob dois pontos de vista
• Microscópico – leva em conta todas as interações atômicas da matéria que compõe o sistema
• Macroscópico – leva em conta os efeitos gerais ou médios das várias moléculas do sistema
• A termodinâmica se baseia no ponto de vista macroscópico, uma vez que não está interessada em descrever o comportamento de CADA MOLÉCULA ciência empírica
• Os sistemas são estudados em condição de equilíbrio “foto” do estado inicial, “foto” do estado final
Estado e propriedades de uma substância• Uma substância pode existir sob diversas formas (ou fases) – sólida, líquida,
gasosa
• Uma fase é uma quantidade de matéria totalmente homogênea
• Em uma mesma fase, a substância pode existir a várias pressões e temperaturas, ou seja, em vários estados
• Cada estado pode ser descrito por um certo conjunto de propriedades• Temperatura [graus Celsius, Kelvin]
• Pressão [atm, bar, Pa, mmHg]
• Massa específica ou densidade [kg/m³]
• As propriedades das substâncias impactam nas propriedades de todo o sistema
Revisão de grandezas físicas e unidades• Igualdade de temperatura – dois corpos
possuem igualdade de temperatura quando não apresentam mudanças em suas propriedades mensuráveis quando colocados em equilíbrio térmico
• Lei 0 da termodinâmica – quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, pode-se dizer que esses dois corpos possuem igualdade de temperatura entre si
•𝑇𝑐
5=
𝑇𝑓−32
9=
𝑇𝑘−273
5
Revisão de grandezas físicas e unidades• Massa – medida em gramas ou seus múltiplos [g]
• Comprimento – medido em metros ou seus múltiplos [m]
• Força – massa x aceleração [N = 1kg . m/s²]. 𝐹 = 𝑚. 𝑎
• Ex1 – Qual é o peso de um corpo que apresenta massa igual a um kg em um local em que a aceleração da gravidade vale 9,75 m/s²? E se o corpo tivesse 10 kg?
• Volume específico – volume ocupado pela unidade de massa que se está trabalhando [uc³]. 𝑣 = 𝑉/𝑚
• Massa específica (densidade) – massa associada à unidade de volume [g/cm³]. 𝜌 = 1/𝑣
Revisão de grandezas físicas e unidades• Ex2 – o recipiente da figura, com volume interno de 1 m³, contém 0,12 m³
de granito, 0,15 m³ de areia e 0,2 m³ de água líquida a 25 ºC. O restante do volume interno do recipiente é ocupado por ar, que apresenta massa específica de 1,15 kg/m³. Determine o volume específico médio e a massa específica da mistura contida no recipiente.
• R: 𝑣 = 0,001325𝑚3
𝑘𝑔; 𝜌 = 755,0
𝑘𝑔
𝑚3
• Dados: 𝜌𝑔𝑟𝑎𝑛𝑖𝑡𝑜 = 2750 𝑘𝑔/𝑚³
• 𝜌𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 = 1500 𝑘𝑔/𝑚³
• 𝜌á𝑔𝑢𝑎 = 997 𝑘𝑔/𝑚³
Revisão de grandezas físicas e unidades• Energia – capacidade de um corpo, substância
ou sistema físico tem de realizar trabalho:
• Energia pode ser térmica, elétrica, solar, nuclear
• A energia assume as formas potencial e cinética
• Pressão – força aplicada por uma corpo/substância sobre uma área [Pa, bar, atm, lbf/in², mmHg]. 𝑃 = 𝐹/𝐴
• 1 𝑃𝑎 = 1 𝑁/𝑚²
• 1 𝑏𝑎𝑟 = 105 𝑃𝑎
• 1 𝑎𝑡𝑚 = 101325 𝑃𝑎
Revisão de grandezas físicas e unidades• Pressão absoluta – é a pressão total que atua
sobre um sistema. Para um ponto no interior de um fluido (gás ou líquido):
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 + 𝜌. 𝑔. ∆ℎ
• 𝜌 – 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑜𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
• 𝑔 − 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒• ∆ℎ − 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
• Princípio de Stevin – estabelece que diferença de pressão entre dois pontos de um fluido é dada por ∆𝑃 = 𝜌. 𝑔. ∆ℎ