Cap 1-Termodinâmica - Conceitos Fundamentais

Captulo -1

CONCEITOS

FUNDAMENTAIS

Captulo 1 - Termodinmica Aplicada - pg - 2

1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1.1 - Sistema Termodinmico Sistema termodinmico consiste em uma quantidade de matria ou regio para a qual nossa ateno est voltada. Demarcamos um sistema termodinmico em funo daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinmico chamado MEIO ou VIZINHANA. O sistema termodinmico a ser estudado demarcado atravs de uma FRONTEIRA ou SUPERFCIE DE CONTROLE a qual pode ser mvel, fixa, real ou imaginria. Sistema Fechado - o sistema termodinmico no qual no h fluxo de massa atravs das fronteiras que definem o sistema. Volume de Controle - Ao contrrio do sistema fechado, o sistema termodinmico no qual ocorre fluxo de massa atravs da superfcie de controle que define o sistema.

Assim, dependendo da interao entre o sistema termodinmico definido para estudo, e a vizinhana, chamaremos a essa regio de Sistema Fechado (demarcado pela fronteira) ou Volume de Controle (demarcado pela superfcie de controle) conforme se verifique as definies acima citadas. Exemplos de Sistema Fechado e Volume de Controle

A figura 1.1-1 um sistema termodinmico fechado, pois no h fluxo de massa atravs das fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor.

A figura 1.1-2, por sua vez, constitui um volume de controle pois temos fluxo de massa atravessando a superfcie de controle do sistema.

Fig. 1.1-1 - Sistema fechado Fig. 1 .1-2 - Volume de controle Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinmico isolado quando no existe qualquer interao entre o sistema termodinmico e a sua vizinhana. (ou seja, atravs das fronteiras no ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc. )


1.2 - Estado e Propriedades de uma Substncia Se considerarmos uma massa de gua, reconhecemos que ela pode existir sob vrias formas. Se inicialmente lquida pode-se tornar vapor aps aquecida ou slida quando resfriada. Assim nos referimos s diferentes fases de uma substncia: uma fase definida como uma quantidade de matria totalmente homognea; quando mais de uma fase est presente, as fases se acham separadas entre si por meio dos contornos das fases. Em cada fase a substncia pode existir a vrias presses e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinmica, em vrios estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscpicas observveis; algumas das mais familiares so: temperatura, presso, volume, etc. Cada uma das propriedades de uma substncia 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 substncia chegou a ele. De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e independente do caminho (isto , da histria) pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado especificado ou descrito pelas propriedades.

Propriedades Termodinmicas - As propriedades termodinmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas. Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva quela que depende do tamanho (extenso) do sistema ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em vrias partes (reais ou imaginrias) e se o valor de uma dada propriedade for igual soma das propriedades das partes, esta uma varivel extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc. Propriedade Intensiva - Ao contrrio da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Presso etc. Propriedade Especfica - Uma propriedade especfica de uma dada substncia obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substncia contida no sistema. Uma propriedade especfica tambm uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade especfica:

Volume especfico , nn , nn == VM

Energia Interna especfica , u, uUM

==

onde: M a massa do sistema, V o respectivo volume e U a energia interna total do sistema.


1.3 - Mudana de Estado de um Sistema Termodinmico Quando qualquer propriedade do sistema alterada, por exemplo; Presso, Temperatura, Massa, Volume, etc. dizemos que houve uma mudana de estado no sistema termodinmico. Processo - O caminho definido pela sucesso de estados atravs dos quais o sistema passa chamado processo. Exemplos de processos: - Processo Isobrico (presso constante) - Processo Isotrmico (temperatura constante) - Processo Isocrico (isomtrico) (volume constante) - Processo Isoentlpico (entalpia constante) - Processo Isoentrpico (entropia constante) - Processo Adiabtico (sem transferncia de calor) Ciclo Termodinmico - Quando um sistema (substncia), em um dado estado inicial, passa por certo nmero de mudana de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinmico. Deve ser feita uma distino entre ciclo termodinmico, descrito acima, e um ciclo mecnico. Um motor de combusto interna de quatro tempos executa um ciclo mecnico a cada duas rotaes. Entretanto o fluido de trabalho no percorreu um ciclo termodinmico dentro do motor, uma vez que o ar e o combustvel so queimados e transformados nos produtos de combusto, que so descarregados para a atmosfera. 1.4 - Lei Zero da Termodinmica Quando dois corpos tem a mesma temperatura dizemos que esto em equilbrio trmico entre si. Podemos definir a lei zero da termodinmica como: " Se dois corpos esto em equilbrio trmico com um terceiro eles esto em equilibrio trmico entre si ".

A lei zero da termodinmica define os medidores de temperatura, os TERMMETROS.


1.5 - Escalas de Temperatura Para a maior parte das pessoas a temperatura um conceito intuitivo baseado nas sensaes de "quente" e "frio" proveniente do tato. De acordo com a segunda lei da termodinmica, a temperatura est relacionada com o calor ficando estabelecido que este, na ausncia de outros efeitos, flui do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa espontaneamente. O funcionamento dos termmetros est baseada na lei zero da termodinmica pois so colocados em contato com um corpo ou fluido do qual se deseja conhecer a temperatura at que este entre em equilbrio trmico com o respectivo corpo. A escala do aparelho foi construda comparando-a com um termmetro padro ou com pontos fsicos fixos de determinadas substncias. Quatro escalas de temperatura so hoje usadas para se referir temperatura, duas escalas absolutas e duas escalas relativas; so elas respectivamente: Escala KELVIN (K) e RANKINE (R) e escala Celsius (C) e Fahrenheit (F). A Fig. 1.5-1 mostra as quatro escalas de temperatura e a relao entre elas.

Figura 1.5-1 - As escalas de temperatura e sua inter-relao Tipos de Termmetros - Termmetro de Mercrio em vidro (expanso volumtrica) - Termmetro de Alcool em vidro (expanso volumtrica) - Termmetro de Par Bimetlico (dilatao linear diferenciada) - Termmetro de Termistores (variao da resistividade) - Termmetro de Gs Perfeito (expanso volumtrica) - Termmetro de Termopar (fora eletromotriz) - Pirmetro tico (cor da chama) - etc.


Exemplo 1.5-1

Escreva a relao entre graus Celsius (oC) e Fahrenheit (oF) Soluo - Considere-se a escala dos dois Termmetros, Celsius e Fahrenheit como mostrado na figura

Interpolando linearmente as escalas entre a referncia de gelo fundente e a referncia de vaporizao da gua temos:

O OC F--

--==

----

0100 0

32212 32

O OC F== --

59

32( )

1.6 - Presso Presso, uma propriedade termodinmica, definida como sendo a relao entre uma fora e a rea normal onde est sendo aplicada a fora. A Fig. 1.6-1 ilustra a definio dada pela equao 1.6 -1

PA A

FAiN==

lim

dd dd

dddd

(1.6 -1)

Figura 1.6-1 - Definio de Presso


Unidades de Presso

Pascal, Pa = Nm2 ,

Quilograma - fora por metro quadrado, = kgfm2

Psig = lbfin2

, (manomtrica) Psia = lbfin2 (absoluta)

bar = 105 Pascal

As presses abaixo da presso atmosfrica e ligeiramente acima e as diferenas de presso (como por exemplo, ao longo de um tubo, medidas atravs de um orifcio calibrado) so obtidas freqentemente com um manmetro em U que contm como fluido manomtrico: gua, mercrio, Alcool, etc. como mostra a Fig. 1.6-2

Figura 1.6-2 manmetro em U usado junto com um orifcio calibrado

Pelos princpios da hidrosttica podemos concluir que, para uma diferena de nvel, L em metros, em um manmetro em U, a diferena de presso em Pascal dada pela relao :

DDP gL== rr onde g a acelerao da gravidade, em m/s2, rr a densidade do fluido manomtrico, em kg/m3 e L a altura da coluna de lquido, em m (metros) . OBS. A presso atmosfrica padro definida como a presso produzida por uma coluna de mercrio exatamente igual a 760 mm sendo a densidade do mercrio de 13,5951 gm / cm3 sob a acelerao da gravidade padro de 9,80665 m / s2 uma atmosfera padro = 760 mmHg =101325 Pascal = 14,6959 lbf / in2


Exemplo 1.6-1 Em uma anlise para se obter o balano trmico de um motor diesel necessrio medir-se a vazo de ar admitido pelo motor. Um orifcio calibrado montado em uma caixa de entrada junto com um manmetro em U na admisso do motor, como mostrado,

esquematicamente na figura. A vazo mssica do fluido escoando, m

, em kg/m3 est

relacionada, em um orifcio calibrado, pela seguinte expresso, m A C PD

== 2rr DD , onde DDP a diferena de presso no manmetro em U , em Pascal, A a rea do orifcio calibrado, em metros quadrados, CD o coeficiente de descarga do orifcio, cujo valor particular, para este caso 0,59, rr a densidade do fluido em escoamento. Determinar a vazo de ar para os dados mostrados na figura. (Considere a acelerao gravitacional local igual a 9,81 m/s2 , a densidade do ar como sendo, rr = 1,2 kg/m3 e a densidade da gua do manmetro igual a 1000 kg/m3)

Soluo - Clculo da diferena de Presso indicada no manmetro em U:

DDP gL Pa== == ==rr 1000 981 0260 25506, , , - Calculo da rea do orifcio calibrado. Dos dados da figura temos

Ad

m== ==

==pp 2 2 2

4314159 0045

4000159

, ( , ),

- A vazo em massa de ar admitida pelo motor diesel, pela expresso ser

mkgs

AR

== ==000159 059 2 12 25506 00734, , , . , ,


Exerccios 1-1) Um manmetro montado em um recipiente indica uma presso de 1,25MPa e um barmetro local indica 96kPa. Determinar a presso interna absoluta do recipiente em: a) MPa , b) kgf/cm2, c) Psia e d) em milmetros de coluna de mercrio. OBS.: Adote para o mercrio a densidade de 13,6gm/cm3 1-2) Um termmetro, de liquido em vidro, indica uma temperatura de 30 oC. Determine a respectiva temperatura nas seguintes escalas: a) em graus Fahrenheit (oF) , b) em graus Rankine (oR) e c) em Kelvin (K). 1-3) Um manmetro contm um fluido com densidade de 816 kg/m3. A diferena de altura entre as duas colunas 50 cm. Que diferena de presso indicada em kgf/cm2? Qual seria a diferena de altura se a mesma diferena de presso fosse medida por um manmetro contendo mercrio (adote densidade do mercrio de 13,60 gm/cm3) 1-4) Um manmetro de mercrio, usado para medir um vcuo, registra 731 mm Hg e o barmetro local registra 750 mm Hg. Determinar a presso em kgf/cm2 e em microns.

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