AULA N° 2: Introdução à Termodinâmica PROFª: Drª. Emiliane Gerbasi Ricci

DATA: ____/____/2015

1. Conceitos fundamentaisA termodinâmica é uma ciência experimental, pois a partir da observação de alguns

fenômenos físico-químicos foram elaboradas leis básicas, conhecidas como a Lei “Zero”, a Primeira, a Segunda e a Terceira Leis da Termodinâmica. Os problemas que a termodinâmica se propõe a resolver normalmente envolvem a determinação do valor do calor e/ou trabalho (formas de energia) necessários ou liberados num processo ou então as mudanças de estado de uma substância ou mistura provocadas pela transferência de calor ou pela realização de trabalho.

A termodinâmica é o estudo das mudanças nas condições (estado) das substancias puras ou de misturas a partir de alterações em sua temperatura, pressão e estado de agregação. Ela estabelece, também, os princípios fundamentais para a compreensão dos processos pelos quais as misturas podem ser separadas ou reagir entre si para a geração de calor e trabalho.

Dessa forma, tornam-se possíveis a análise e projetos de sistemas geradores de potencia, reatores químicos, equipamentos com equilíbrio de fase, bem como seu aperfeiçoamento visando o aumento de sua eficiência.

O principal objetivo da Termodinâmica é a investigação do estado de equilíbrio de um sistema. Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da análise. Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa. Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui.

Sistema termodinâmico consiste em uma quantidade de matéria ou região a qual a nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado meio ou vizinhança. Existem três tipos de sistema: sistema aberto é aquele que permite a troca de partículas (e de energia) entre o sistema e as suas vizinhanças. Sistema fechado é aquele que possui fronteiras que não permitem a troca de partículas entre o sistema e as suas vizinhanças, porém podem ocorrer trocas de energia entre este sistema e as suas vizinhanças. Sistema isolado é aquele que não permite a troca de partículas nem nenhuma troca de energia entre o sistema e as suas vizinhanças.

Vizinhança – tudo o que é externo ao sistema. Fronteira – superfície real ou imaginaria que separa o sistema de sua fronteira. Pode

estar em movimento ou repouso. Deve ser definida cuidadosamente antes de se proceder a qualquer análise termodinâmica. Sua definição é arbitraria e desse ser feita pela conveniência da análise a ser feita.

Figura 1: Exemplo de um sistema Figura 2: Exemplo de um volume de controle

1.1 Estado e propriedades de uma substânciaPara descrever o equilíbrio termodinâmico de um sistema precisamos especificar os

valores de determinadas grandezas que caracterizam seu estado de equilíbrio. Elas são chamadas de grandezas de estado. Exemplos de grandezas de estado: a temperatura, a pressão, o volume, a densidade e a energia. Uma função de estado é aquela que depende de grandezas de estado. Por exemplo, a energia interna é uma função de estado que geralmente depende da temperatura e do volume. Cada uma das propriedades de uma substância num dado estado tem somente um valor definido e essa propriedade tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a ele. Uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e é independente do caminho pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades.

As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas.

Propriedade Extensiva- chamamos propriedade extensiva àquela que depende do tamanho (extensão) do sistema ou volume do controle. Assim, se subdividirmos um sistema em varias partes (reais ou imaginarias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: massa e volume total.

Propriedade intensiva- ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: temperatura, pressão e massa especifica.

1.2 Variáveis termodinâmicas Num problema real, é necessário delimitar a porção de matéria ou um volume no

Universo que será o foco das atenções. Essa porção de matéria ou volume de controle é o sistema termodinâmico, separado das vizinhanças ou arredores por uma superfície de controle. O sistema termodinâmico é chamado aberto se massa pode transitar para dentro ou para fora do sistema; caso contrário, o sistema é fechado. Exemplos de sistemas abertos são os reatores contínuos, colunas de destilação contínuas, trechos de tubulação. Exemplos de sistemas fechados são os reatores em batelada, coluna de destilação em batelada, extração líquido-líquido em batelada.

Quando um sistema está em contato com as vizinhanças, uma modificação nas vizinhanças produz alterações no sistema. Caso isso não ocorra, o sistema em questão é dito isolado. Um sistema adiabático é um sistema isolado termicamente das vizinhanças.

O estado de um sistema é caracterizado por variáveis macroscópicas como composição, pressão, temperatura, densidade, entre outras. A quantidade de matéria, massa ou o volume determinam o tamanho do sistema termodinâmico. As propriedades intensivas de um sistema são aquelas variáveis cujo valor independe do tamanho do sistema, tais como a temperatura, a pressão e a densidade. Propriedades extensivas são as variáveis cujo valor é determinado diretamente pelo tamanho do sistema considerado (massa, volume, energia total).

1.2.1 Temperatura A Lei “Zero” da Termodinâmica afirma que, se dois corpos apresentam igualdade de

temperatura com um terceiro corpo, então eles também apresentam igualdade de temperatura entre si. A temperatura é medida por termômetros, sendo os mais comuns os de mercúrio, os termopares e os termômetros de resistência. Os termômetros de resistência são calibrados em dois pontos fixos, por exemplo, em um banho de água e gelo e em água em ebulição à pressão atmosférica. A marcação de temperaturas intermediárias é feita, então, por interpolação.

As escalas de temperatura mais utilizadas são a Celsius, Kelvin, Fahrenheit e Rankine. No estudo da termodinâmica é utilizada uma escala absoluta de temperaturas, visando a padronização das medidas. A escala absoluta de temperaturas no Sistema Internacional (SI) é a escala Kelvin.

1.2.2 Força e PressãoA força exercida sobre um corpo equivale ao produto de sua massa pela aceleração

por ele sofrida. Um exemplo de força é o peso de um corpo, que é função de sua massa e da aceleração local da gravidade.

F=m .aF – força [N] m – massa [kg] a – aceleração [m.s-2]

A unidade do SI para força é o newton (N), igual a 1 kg.m.s-2. A pressão exercida por um fluido ou sólido em uma superfície equivale à força normal exercida por ele por elemento de área.

P= FA

P- pressão [Pa]A - Área [m2]

A unidade do SI para a pressão é o Pascal (Pa), igual a 1 kg.m -1.s-2. A pressão é medida por instrumentos conhecidos como manômetros (de ponteiro, de tubo em “U” com mercúrio) que indicam a pressão relativa, acima ou abaixo da pressão atmosférica. A pressão atmosférica é medida, por sua vez, pelos barômetros. Nas aplicações da termodinâmica, é conveniente utilizar a pressão absoluta, equivalente à soma das pressões atmosférica e manométrica, sempre positiva ou, no mínimo, igual a zero para o caso de vácuo absoluto. No caso dos manômetros com tubo em “U” preenchidos com líquido, pode-se calcular a diferença de pressão ΔP, ou seja, a pressão manométrica, usando a expressão:

∆ P=ρ .g .h

1.2.3 Energia, Trabalho, Calor e PotênciaNum processo, a energia pode se manifestar de diversas formas. Ela pode ser um

atributo do sistema (energia cinética, potencial e energia interna). Onde, a energia cinética se refere à mobilidade das moléculas do sistema (velocidade das moléculas). A energia potencial se refere à posição do sistema em relação a um campo de forças (em geral à gravidade). E a energia interna é associada aos movimentos e às forças intermoleculares das moléculas

constituintes do sistema. A energia pode também se manifestar como resultado do contato ou da interação de um sistema com suas vizinhanças, na forma de calor e trabalho. Trabalho é a manifestação da ação de uma força através de um deslocamento na direção desta força ou da transferência de energia por meios de movimentação mecânica. Calor é a manifestação de uma transferência de energia resultante de uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança. A potência é a energia fornecida ou recebida em um processo por unidade de tempo; portanto, é uma medida da taxa de troca de energia entre dois sistemas.

1.2.4 Densidade e Volume EspecíficoO volume molar de uma substância (V) representa o volume ocupado por um mol

desta substância, representando o estado de agregação desta substância. Para os gases ideais, o volume molar pode ser obtido pela equação da Lei dos gases ideais:P.V = R. TV – volume molar [m3.mol-1]R – constante dos gases

Na Equação acima, R é a constante dos gases, cujo valor depende do sistema de unidades utilizado, sendo o valor mais comum dado por 0,082 atm.L.mol-1.K-1 (8,3 J/mol.k ou 2,0 cal/mol.k). A densidade de uma substância (ρ) equivale a sua massa por unidade de volume, e também representa o estado de agregação de uma substância. Para os gases ideais, a densidade pode ser obtida a partira da lei dos gases ideais:P.V = R. TP .V=n .R .T

P .V= mM.R .T

P .M=mV.R .T

ρ=mV

= P .MR .T

m- massa [kg]M – peso molecular [g.mol-1] n- número de mols [mol]- n=m/M- densidade [Kg.m-3]

1.3 Unidades para massa, comprimento, tempo e forçaSerão considerados dois sistemas de Unidades: SI- sistema Internacional e Sistema Inglês. 1.3.1 Sistema Internacional e Sistema Inglês

Sistema Internacional Sistema InglêsMassa Kg (quilograma) lb ou lbm (libra massa)Comprimento m (metros) ft (foot=pé)Tempo s (segundos) s (segundos)Unidade de Força (derivada)

N (Newton) Lbf (libra-força)

Volume m3 ft3

Pressão Pa (N/m2) - Pascal Psi (lbf/in2)Potência W(J/s) - Watts lbf.ft/s

1.3.2 Prefixos para unidades do S.IMúltiplo Prefixo Símbolo

10-15 femto F

10-12 pico P

10-9 nano N

10-6 micro µ

10-3 mili M

10-2 centi C102 hecto H103 quilo K106 mega M109 giga G1012 tera T1015 peta P

Exemplos de transformações de UnidadesConverter as seguintes unidades:

a- 25 kg para gramasb- 12 kg/m3 para g/Lc- 9,8m/s2 para ft/s2

d- 2,5 ft/s2 para m/min2

e- 1100 ft/s para milhas/hf- 9,8 m2/s2 para ft2/s2

g- 1 cm/s2 para km/ano2

h- 23 lbm.ft/min2 para kg.cm/s2

i- 3 semanas para segundoj- 38,1 ft/s para milhas/hk- 554 m4/dia.kg para cm4/min.g

Exercícios 1- Um cilindro provido de um êmbolo móvel contém uma dada massa constante de ar. A

pressão e o volume são, respectivamente, 1,7 x 106 N/m2 e 28 litros. O ar se expande isotermicamente, até a pressão cair para 0,7 x 106 N/m2. Qual deve ser o volume ocupado pelo ar, no final da expansão?

2- Estime a pressão de um gás que contém 5 x 1018 moléculas por centímetro cúbico, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP).

3- Determinar a pressão em um recipiente de 20 litros, mantido na temperatura de 127C, e que contém 3,2 g de oxigênio, 2,8 g de nitrogênio e 0,2 g de hidrogênio. Estime a pressão parcial de cada componente gasoso. As massas moleculares são: do oxigênio, 32; do nitrogênio, 28; do hidrogênio, 2.

4- A massa específica do vapor de uma substância pura, medida a 100 C e sob pressão de 758 mm de Hg, é igual a 2,86 x 10-3 g/ml. Estime a massa molecular da substância.