Aula 01 Termo

Termodinâmica

• Nasceu no Século IX (máquinas a vapor)

• "Descrever a operação das máquinas a vapor e avaliar o limite do seu desempenho"

TERMO - DINÂMICA

Potência desenvolvida a partir do calor

LEIS DA TERMODINÂMICA

GENERALIZAÇÃO DOS PRINCÍPIOS OBSERVADOS VÁLIDOS PARA AS MÁQUINAS

1º LEI

2º LEI

Termodinâmica (Século XX)

Melhorias significativas na nossa qualidade de vida com avanços em áreas importantes.

Termodinâmica (Século XXI)

Tecnologia para um futuro Sustentável

Aplicação da termodinâmica na Engenharia

• Sistemas de propulsão de aeronaves e foguetes

• Sistemas alternativos de energia

Células a combustível

Sistemas geotérmicos

Conversores magneto-hidrodinâmicos (MHD)

Geração de potência por energia térmica dos oceanos, energia das ondas e marés

Geração de potência, aquecimento e resfriamento ativados por energia solar

Dispositivos termoelétricos e termoiônicos

Turbinas eólicas Aplicações na Bioengenharia

• Motores de automóveis

Aplicação da termodinâmica na Engenharia

Indústria de alimentos

• Aplicações biomédicas
• Sistemas de combustão
• Compressores, Bombas
• Resfriamentos de equipamentos eletrônicos
• Sistemas criogênicos, separação e liquefação de gases
• Usinas de energia movidas a combustível fóssil e nuclear
• Sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado

Resfrigeração por absorção e bombas de calor

Refrigeração por compressão de vapor e bombas de calor

• Turbinas a gás e a vapor
• Produção de potência
• Propulsão

Sistema Fechado

• Sistema que sempre contém o mesmo.
• Nenhuma transferência de massa através de seu limite pode ocorrer.

• Sistema isolado: tipo especial de sistema fechado que não interage de forma alguma com o seu entorno.

Sistema aberto

( VOLUME DE CONTROLE)

• Uma determinada região do espaço através da qual a massa flui.

• A massa pode cruzar o limite de um volume de controle.

Selecionando a FRONTEIRA de um sistema

( Selecionando a FRONTEIRA de um sistema)

Os sistemas podem ser descritos do ponto de vista macroscópico e microscópico.

TERMODINÂMICA MACROSCÓPICA - Termodinâmica Clássica

A abordagem macroscópica descreve o comportamento do sistema em termos dos efeitos grosseiros das partículas que compõem o sistema - especificamente, efeitos que podem ser medidos por instrumentos tais como manômetros de pressão e termômetros.

Os sistemas podem ser descritos do ponto de vista macroscópico e microscópico.

TERMODINÂMICA MICROSCÓPICA - Termodinâmica Estatística

A abordagem microscópica visa caracterizar, por meios estatísticos, o comportamento médio das partículas que compõem um sistema e utilizar essas informações para descrever o comportamento geral do sistema

ENGENHARIA

MICRO

MACRO

• Probabilidade de ocorrer o efeito;
• Valores médios de partículas
• Modelos teóricos de moléculas

• Efeitos Gerais
• Valores médios de grupos de moléculas
• Podem ser sentidos e medidos

EXEMPLO: Pressão

Mudança da quantidade de movimento de um número específico de moléculas que colidem com uma área

Força média de um gás em relação ao tempo que atua em uma certa área

PROPRIEDADE

É uma característica macroscópica de um sistema para a qual um valor numérico pode ser atribuído em um determinado momento sem o conhecimento do comportamento anterior do sistema.

Massa

Energia

(...)

ESTADO

• A condição de um sistema conforme descrito por suas propriedades.

Exemplo: O estado do sistema mostrado é descrito por p, V, T,….

O estado geralmente pode ser especificado fornecendo os valores de um subconjunto de suas propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desses poucos.

PROCESSO

• Uma transformação de um estado para outro.

• Quando qualquer uma das propriedades de um sistema muda, o estado muda, e o sistema é dito ter passado por um processo.

• Exemplo: Como V2 > V1, pelo menos um valor da propriedade foi alterado e o gás sofreu um processo do Estado 1 para o Estado 2.

V2 > V1

A

Propriedades, estado e processo

Propriedades Extensivas e Intensivas

• EXTENSIVAS
• Depende do tamanho ou extensão de um sistema.

• Seu valor para um sistema global é a soma de seus valores para as partes nas quais o sistema é dividido.

• Seu valor pode variar com o tempo, mas não a posição

• INTENSIVAS
• Independente do tamanho ou extensão de um sistema.
• Seu valor não é aditivo quanto às propriedades extensivas.
• Pode variar de lugar para lugar dentro do sistema a qualquer momento - função da posição e do tempo.

A

Propriedades extensivas e intensivas (DEFINIÇÕES)

Equilíbrio

TÉRMICO

DE FASE

• Quando um sistema é isolado, ele não interage com seu entorno; no entanto, seu estado pode mudar como consequência de eventos espontâneos que ocorrem internamente, pois suas propriedades intensivas, como temperatura e pressão, tendem a valores uniformes. Quando todas essas mudanças cessam, o sistema está em um estado de equilíbrio.

• Estados de equilíbrio e processos de um estado de equilíbrio para outro estado de equilíbrio desempenham papéis importantes na análise termodinâmica.

MECÂNICO

QUÍMICO

Densidade e Volume específico

• De uma perspectiva macroscópica, a descrição da matéria é simplificada considerando-se que ela seja distribuída continuamente por toda a região.

• Quando substâncias são tratadas como contínuas, é possível falar de suas propriedades termodinâmicas intensivas "em um ponto".

• Em qualquer instante, a densidade (r) em um ponto é definida como

onde V ' é o menor volume para o qual existe um valor definido da razão.

Densidade

• Densidade é massa por unidade de volume.

• A densidade é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto.

Unidades SI são (kg / m3).

Unidades inglesas são (lb / ft3).

Volume específico

Volume específico é geralmente preferido para análise termodinâmica ao trabalhar com gases que normalmente possuem pequenos valores de densidade.

• Volume específico é o inverso da densidade.
• Volume específico é o volume por unidade de massa.
• Volume específico é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto.

Unidades SI são (m3 / kg).

Unidades inglesas são (ft3 / lb).

A

Propriedades extensivas e intensivas (Massa específica e volume específico)

Pressão

• Considere uma pequena área A passando por um ponto em um fluido em repouso.
• O fluido de um lado da área exerce uma força de compressão normal à área, Fnormal. Uma força igual, mas dirigida de maneira oposta, é exercida na área pelo fluido do outro lado.
• A pressão (p) no ponto especificado é definida como o limite

onde A ' é a área no' ponto 'no mesmo sentido de limitação usado na definição de densidade.

Unidades de Pressão

• A unidade de pressão do SI é o pascal:

        1 pascal = 1 N / m2

• Múltiplos do pascal são freqüentemente usados:

1 kPa = 103 N / m2

1 bar = 105 N / m2

1 MPa = 106 N / m2

• Unidades inglesas para pressão são:

libras de força por pé quadrado, lbf / ft2

libras de força por polegada quadrada, lbf / in.2

Pressão absoluta

• Pressão absoluta: Pressão que adota como zero o vácuo absoluto.
• A pressão absoluta deve ser usada nas relações termodinâmicas.
• Dispositivos de medição de pressão geralmente indicam a diferença entre a pressão absoluta de um sistema e a pressão absoluta da atmosfera fora do dispositivo de medição.

Pressão manométrica e Pressão à vácuo

• Quando a pressão do sistema é maior que a pressão atmosférica, o termo pressão manométrica é usado.

      p (manométrica) = p (absoluta) - patm (absoluta)

• Quando a pressão atmosférica é maior que a pressão do sistema, o termo pressão de vácuo é usado.

p (vácuo) = patm (absoluta) - p (absoluta)

Temperatura

• Se dois blocos (um mais quente que o outro) são postos em contato e isolados de seus arredores, eles interagem termicamente com mudanças nas propriedades observáveis.
• Quando todas as alterações nas propriedades observáveis cessam, os dois blocos estão em equilíbrio térmico.
• A temperatura é uma propriedade física que determina se os dois objetos estão em equilíbrio térmico.

Termômetros

• Qualquer objeto com pelo menos uma propriedade mensurável que se modifique à medida que suas mudanças de temperatura podem ser usadas como um termômetro.
• Essa propriedade é chamada de propriedade termométrica.
• A substância que exibe alterações na propriedade termométrica é conhecida como substância termométrica.

Exemplo: termômetro de líquido em vidro

• Consiste em tubo capilar de vidro conectado a um bulbo cheio de líquido e selado na outra extremidade. O espaço acima do líquido é ocupado pelo vapor de líquido ou por um gás inerte.
• À medida que a temperatura aumenta, o líquido se expande em volume e aumenta no capilar. O comprimento (L) do líquido no capilar depende da temperatura.
• O líquido é a substância termométrica.
• L é a propriedade termométrica.

Escalas de Temperatura

• Escala Kelvin: Uma escala de temperatura termodinâmica absoluta cuja unidade de temperatura é o kelvin (K); uma unidade base SI para temperatura.
• Escala de Rankine: Uma escala de temperatura termodinâmica absoluta com zero absoluto que coincide com o zero absoluto da escala de Kelvin; uma unidade base inglesa para temperatura

Escala Celsius

Escala Fahrenheit