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Capítulo 2 – Conceitos e Definições

Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina

Curso de Engenharia Mecânica

70504 – Termodinâmica

Prof. Fabyo Luiz Pereirafabyo.pereira@satc.edu.br

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Conceitos e Definições

● Termodinâmica = Calor + Movimento:

● Termodinâmica é a ciência da energia e da entropia.

● É a ciência que trata:

● Do calor e do trabalho.

● Das propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho.

● Sistema termodinâmico (ST):

● É toda quantidade de matéria de massa e identidade fixas, sobre

a qual se dirige atenção.

● Tudo externo ao ST é chamado de meio ou vizinhança.

● A fronteira do sistema (FS) separa o ST de sua vizinhança.

● Sistema isolado Não é influenciado pelo meio, ou seja, calor→

ou trabalho não cruzam a FS.

● ST Também chamado de sistema fechado.→

● Volume de controle (VC):

● Especificado quando a análise envolve um fluxo de massa.

● A superfície de controle (SC) separa o VC de sua vizinhança.

● VC Também chamado de sistema aberto.→

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Conceitos e Definições

● Pontos de vista termodinâmicos:

● Microscópico:

● Um ST consiste de um gás monoatômico contido num cubo de 25 mm de aresta.

● Pressão e temperatura atmosféricas.

● O sistema contém ~1020 átomos.

● Posição de cada átomo 3 coordenadas cartesianas (x;y;z).→● Velocidade de cada átomo 3 componentes (x;y;z).→● Para descrever matematicamente o sistema são necessárias (3+3).1020 = 6.1020 equações.

● Abordagem estatística Reduz o número de equações.→

● Macroscópico:

● Preocupa-se com efeitos totais ou médios de muitas moléculas.

● Estes efeitos podem ser percebidos por nossos sentidos ou medidos por instrumentos.

● Exemplo: Pressão exercida numa parede por um gás.

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Conceitos e Definições

● Estado termodinâmico e propriedades de uma substância:

● Água Pode existir em 3 fases (ou formas): sólida, líquida ou vapor.→● Quando mais de uma fase coexistem:

● As fases se separam por meio das fronteiras de fase.

● Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas, ou seja, em vários

estados termodinâmicos.

● Estado termodinâmico:

● Pode ser identificado por propriedades macroscópicas (tais como T, p e ρ).

● Para um dado estado termodinâmico, estas propriedades têm sempre o mesmo valor.

● Classes de propriedades:

● Intensivas Independem da massa.→● Exemplos: Temperatura, pressão e massa específica.

● Extensivas Variam diretamente com a massa.→● Exemplos: Massa e volume.

● Propriedades de uma substância e propriedades de um ST Equilíbrio.→● Equilíbrio termodinâmico Ocorre quando um ST está em equilíbrio em relação a todas as possíveis →

mudanças de estado termodinâmico.

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Conceitos e Definições

● Processos termodinâmicos:

● Mudança de estado termodinâmico:

● Ocorre sempre que o valor de qualquer propriedade termodinâmica de um ST se altera.

● Quando um ST muda de estado, diz-se que ele sofreu um processo termodinâmico.

● Um processo termodinâmico só ocorre quando não há equilíbrio.

● Dúvida:

● Se as propriedades descrevem o estado do ST quando ele está em equilíbrio, como se pode

descrever os estados de um ST durante o processo?

● Definição do processo de quase-equilíbrio (processo ideal):

● É aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal.

● Os estados pelos quais o ST passa durante o processo são considerados como de equilíbrio.

● Para processos de não-equilíbrio, pode-se descrever o ST:

● Antes do processo.

● Depois de ocorrido o processo, apenas quando o equilíbrio é restabelecido.

● Ciclos termodinâmicos:

● Ocorrem quando um ST, em um dado estado inicial, passa por

um certo número de processos e retorna ao estado inicial.

● Exemplo: Água numa central termelétrica a vapor.

● Ciclo termodinâmico (ou térmico) ≠ Ciclo mecânico.

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Grandezas Físicas

● Grandezas Físicas:

● Grandezas primárias:

● Formam um grupo a partir do

qual todas as demais grandezas

podem ser formadas.

● Atribuiu-se a elas unidades

arbitrárias.

● Exemplo Comprimento:→● Sistema internacional → m.

● Sistema inglês → ft.

● Grandezas secundárias:

● São aquelas que podem ser formadas a partir da combinação de grandezas primárias.

● Suas unidades são expressas em termos das unidades das grandezas primárias.

● Exemplo Força:→

Grandeza primária Dimensão primária

Sistema internacional

Unidade Símbolo

Massa M Quilograma kg

Comprimento L Metro m

Tempo T Segundo s

Temperatura Θ Kelvin K

Corrente elétrica I Ampère A

Quantidade de matéria N Mol mol

Intensidade luminosa J Candela cd

Ângulo plano - Radiano rad

Ângulo sólido - Esferorradiano sr

F=m . a → [ N ]=[kg .ms2 ]⏞

Símbolos noSistema Internacional

=[M .LT 2 ]⏞

Dimensãoprimária

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Grandezas Físicas

● Exemplos de conversões:

● Converter 6 kg para lb:

● Converter 25 ft para m:

● Exemplos de uso dos prefixos:

● Força:

● Tempo:

Grandeza Sistema Internacional

Sistemainglês Conversão

Massa kg lb 1 lb = 0,4536 kg1 kg = 2,2046 lb

Comprimento m ft 1 ft = 0,3048 m1 m = 3,2808 ft

Tempo s s -

Força N lbf 1 lbf = 4,4482 N1 N = 0,2248 lbf

Unidades nos sistemas internacional e inglês e fatores de conversão.

Fator Prefixo Símbolo

1012 tera T

109 giga G

106 mega M

103 quilo k

10-3 mili m

10-6 micro μ

10-9 nano n

10-12 pico p

Prefixos das unidades no sistema internacional.

m=6 kg

m=6 kg . 2,2046lbkg

m=13,2276 lb

L=25 ft

L=25 ft .0,3048mft

L=7,62 m

F=1000 mN =1000 .10−3 N =1 N

F=1 N =1.10−3 . 103⏟

k

N=10−3 kN

t=0,003 Ms=0,003 . 106 s=3000 s

t=3000 s=3000 .103 . 10−3⏟

m

s=3000000ms

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Conceitos e Definições

● Energia:

● Energia é um conceito fundamental, como massa e força, mas há dificuldade para definí-la.

● Energia pode ser acumulada num ST, e também pode ser transferida.

● Exemplo: Calor pode ser transferido de um ST para outro.

● Ponto de vista molecular:

● Energia potencial intermolecular Associada às forças entre as moléculas e às posições relativas →

das moléculas a cada instante.

● Energia cinética molecular Associada à velocidade de translação das moléculas. Depende →

apenas das massas e das velocidades das partículas.

● Energia intramolecular Relativa a cada molécula, é associada à estrutura molecular e atômica, →

sendo a mais difícil de ser avaliada, pois resulta de um grande número de iterações complexas.

● Considere água sendo aquecida, como mostrado na figura ao lado:

● Tlíquido e plíquido aumentarão.

● Todo o líquido irá se transformar em vapor.

● Macroscopicamente Interesse na quantidade de calor transferida e na→

mudança das propriedades da água a cada instante. Não há interesse em

saber como a água acumula energia.

● Microscopicamente Se deseja descrever como a energia é acumulada nas→

moléculas.

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Conceitos e Definições

● Volume específico (ν) e massa específica (ρ):

● Volume específico É o volume por unidade de massa→

ocupado por uma substância.

● Massa específica É a massa por unidade de volume→

apresentada por uma substância.

● Volume específico e massa específica são inversas:

● O volume específico (ou a massa específica) de um ST em um campo gravitacional pode variar de um

ponto para o outro. Exemplo: ν aumenta com o aumento da altitude.

● Logo, a definição de ν deve envolver o valor da propriedade da substância, num ponto, em um ST.

● Considerando um volume δV e a massa contida nesse volume δm, o volume específico é definido por:

onde δV' é o menor volume no qual o sistema pode ser

considerado como sendo um meio contínuo (figura ao lado).

● A maioria dos ST que consideraremos são relativamente

pequenos, e assim admitiremos que ν e ρ são constantes.

● Unidades no SI:

ν=1ρ e ρ=

1ν

v= limδV →δV '

δVδ m

● Base molar:

● ρ [kmol/m3].

● ν [m³/kmol].

● Base mássica:

● ρ [kg/m3].

● ν [m³/kg].

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Conceitos e Definições

● Pressão:

● A pressão num ponto de um fluido em repouso é igual em todas as direções.

● Define-se pressão como a componente normal da força por unidade de área.

● Seja δA uma área e δA' a menor área sobre a qual podemos considerar o

fluido como um meio contínuo. Se δFn é a componente normal da força sobre δA, define-se:

● A pressão num ponto de um fluido em equilíbrio é igual em

todas as direções.

● Unidades:

● SI: Pascal 1 Pa = 1 N/m→ 2

● Bar 1 bar = 10→ 5 Pa = 100 kPa = 0,1 Mpa

● Atmosfera 1 atm = 101.325 Pa = 101,325 kPa→● Instrumentos para medição de pressão:

● Barômetro Mostra a pressão atmosférica.→● Manômetro Mostra a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica.→

● Pressões manométricas:

● São medidas por manômetros que contém um fluido (água, mercúrio, etanol, óleo, etc).

● Pela hidrostática, para uma diferença de nível de L metros, a diferença de pressões é dada por:

p= limδ A→δ A'

δ F n

δ A

Δ p= p− patm=ρ . g . L , com g=9,80665 m / s²

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Conceitos e Definições

● Igualdade de temperatura:

● Dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações em qualquer

propriedade mensurável quando colocados em contato térmico.

● Exemplo:

● Dois blocos de cobre, um quente e um frio, são colocados em contato.

● O comprimento de um dos lados do bloco quente decresce com o tempo.

● O comprimento de um dos lados do bloco frio cresce com o tempo.

● Após certo período de tempo, nenhuma mudança nos comprimentos dos blocos é observada.

● Lei zero da termodinâmica:

● Quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de

temperatura entre si.

● Como na termodinâmica esta constatação precede a 1a e 2a leis, ela recebe a denominação de lei zero.

● Parece óbvio, mas este fato não é deduzível por outras leis.

● A lei zero constitui a base para a medição de temperatura, pois se pode colocar números em um

termômetro e sempre que um corpo tiver igualdade de temperatura com o termômetro, se pode

dizer que o corpo apresenta a temperatura lida no termômetro.

● Problema:

● Relacionar as temperaturas lidas em diferentes termômetros.

● Isto sugere a necessidade de uma escala padrão para as medidas de temperatura.

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Conceitos e Definições

● Escalas de temperatura:

● No SI, a escala de temperatura utilizada é a Celsius, cujo símbolo é oC, baseada em dois pontos fixos:

● Ponto de fusão do gelo: 0oC

● Ponto de vaporização da água: 100oC.

● Em 1954, a escala Celsius foi redefinida em função de um único ponto fixo (ponto triplo da água:

0,01oC), e da escala de temperatura do gás ideal (será discutida no capítulo 7).

● Escalas absolutas:

● Sua possibilidade surge da 2a lei da termodinâmica.

● São independentes da substância termométrica.

● Escala Kelvin É a escala absoluta relacionada à escala Celsius.→● Conversões:

● Celsius:

● Kelvin: K=C+273,15

K=59(F−32)+273,15

K=59(R−491,67)+273,15

C=K−273,15

C=59( F−32)

C=59( R−491,67)

● Fahrenheit:

● Rankine:

F=95(K−273,15)+32

F=95

C +32

F=R−459,67

R=95

C+491,67

R=95(K−273,15)+491,67

R=F +459,67

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Aplicações na Engenharia

Compressor de ar com cilindro de armazenamento.

Manômetro para calibração de pneus.

Válvula de segurança.

Dispositivo para regulagem da vazão de ar de admissão em um motor automotivo.

Sistema de medição develocidade de um fluido.

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Aplicações na Engenharia

Barômetro aneróide. Termopares. Termístores.