Termodinâmica Aula 1

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Termodinâmica Aula 1

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termodinâmica Capítulo 1 Alguns Conceitos e Definições
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sumário • Histórico • Princípios Básicos – Máquina a Vapor – Máquinas Térmicas q • Definição de Termodinâmica – Importância – Rendimentos aproximados • Volume de Controle • Temperatura e a Lei Zero d Termodinâmica da d â – Medindo a Temperatura – Escalas de Temperatura • Considerações Finais 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 2
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Calor e Temperatura CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Enfoque Histórico q • Platão (427 a.C.), Aristóteles (384 a.C.): Fogo contido nas substâncias combustíveis; • Roger Bacon (1214): Movimento interno das partículas do corpo como sendo a causa do calor; • Kepler (1571): Aceitava a idéia de Bacon; • Galileu (1564) e Telesius (1508), consideravam o calor como uma espécie de fluido; • Francis Bacon (1561), Boyle (1627): Consideravam o calor como um movimento vibratório das partículas; • Bernoulli (1700), Euler(1707): considerava que o calor (1700) era gerado pelo movimento das partículas de um corpo; • Até por volta do início do século XVII: E i tê i d lt d i í i d é l XVII Existência de duas correntes que procuram explicar o calor – Fluido e movimento de partículas; 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 3
  4. 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Princípio Básico da CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquina a Vapor q p • Heron de Alexandria (130 A.C.) • Thomas Savery (1698) – 1º Máquina • Thomas Newcomen (1705) – Aperfeiçoamento • James Watt (1763) – Primeiro Protótipo • James Watt (1782) – Patenteou o modelo padrão da máquina de vapor moderna. • Revolução Industrial final do século XVIII. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 4
  5. 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas Térmicas q Máquina de Savery (1698) Máquina de Newcomen 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 5
  6. 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas Térmicas q 1º Máquina de WATT(1763) q ( ) 2º Máquina de WATT (1782) q ( ) 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 6
  7. 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definição de Termodinâmica ç • Termodinâmica estuda a as relações de transferências de energia entre um sistema e seu meio ambiente e as variações resultantes na temperatura ou mudanças de estado. • Propriedades da matéria e correlação entre propriedades mecânica de átomos e moléculas. • “A ciência da energia e da entropia” g p • “A ciência que trata do calor, do trabalho e daquelas propriedades das substâncias que sustentam uma relação com trabalho e calor” • “A ciência do calor” 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 7
  8. 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Importância p Produto Interno Bruto consumo de energia g ~ (PIB) per capita • O consumo de energia do mundo dobra a cada 50 anos!! • Reservas geração e racionalização da energia é uma Reservas, questão estratégica. • Desafios para a engenharia: – aperfeiçoamento do uso fontes convencionais de energia – uso mais intenso das fontes renováveis – reestruturação do uso da energia (recuperação de energia) – Aumento do rendimento 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 8
  9. 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimento Energia Útil η= Energia Gasta • Rendimentos típicos de a gu as máquinas e d e tos t p cos algumas áqu as térmicas cíclicas que convertem energia química em mecânica: 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 9
  10. 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximados p Condições de Rendimento Máquina Térmica Operação (%) Motor de Automóvel a ótima 25 gasolina (velas) estável (100 km/h) 18 estável (75 km/h) tá l k /h) 12 Motor de caminhão (diesel) carga plena 35 meia carga 31 Locomotiva (diesel) ótima 30 Turbina a gás (75 kW) a) com regeneração ótima 16 b) sem regeneração ótima 12 Turbina a gás ( >7500 kW) a) com regeneração ótima 34 b) sem regeneração ótima 25 Planta a vapor ( >35000 kW ) ótima 41 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 10
  11. 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rendimentos aproximados p Conversor C Tipo de Conversão i C Rendimento (%) i Forno doméstico Química a Térmica 70 Bateria Química a Elétrica 70 Bateria seca Química a Elétrica 90 Célula de combustível Química a Elétrica 70 Motor elétrico Elétrica a Mecânica 90 Lâmpada fluorescente Elétrica a Radiante 21 Elétrica R di t Elét i a Radiante Lâmpada incandescente 7 Foguetes Química a Cinética 45 Motores de Avião (jato) Química a Cinética 40 Turbina Elétrica Potencial a Mecânica 95 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 11
  12. 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Massa de Controle 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 12
  13. 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 13
  14. 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 14
  15. 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições Termodinâmicas ç • Sistema: O que quer que se encontre numa dada região do espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira). • Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que podem influenciar o comportamento ou condição do sistema (pode ser isolado do sistema). • U i Universo: União sistema-vizinhança. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 15
  16. 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Definições CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Tipos de Sistemas p • Sistema Aberto: “Troca energia e matéria com o meio externo” “T i té i i t ” Ex: “lata de refrigerante aberta” • Sistema Fechado: “Troca energia, mas não troca matéria Troca matéria” Ex: “lata de refrigerante fechada” • Si t Sistema Isolado: I l d A fronteira do sistema é totalmente impermeável à energia e à matéria. i á l i éi Ex: Uma garrafa térmica perfeita g p 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 16
  17. 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 17
  18. 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Localização do CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle ? Potência conhecida Determinar quanto tempo o compressor precisa operar até que a é pressão no tanque se reduza até um d é determinado valor. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 18
  19. 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Localização do CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle ? Entrada e saída de ar conhecida Determinar o consumo de energia. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 19
  20. 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições Termodinâmicas ç • A condição de um sistema varia, em geral, no decurso d t d do tempo. NNum d d i t t a condição d dado instante di ã de um sistema é definida pelas suas propriedades. • Propriedade: qualquer característica quantificável de um sistema e cujo valor num dado instante é o resultado da realização, nesse instante, de uma operação, teste ou observação efetuada sobre o sistema (volume, energia, pressão, temperatura). O valor das propriedades não depende da história, i.e do processo Grandezas que não são propriedades: fl G d ã ã i d d fluxos mássico e de energia, trabalho e calor.
  21. 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições Termodinâmicas ç • Estado: Condição de um sistema descrito pelas suas propriedades. As propriedades não são todas independentes. Um estado é caracterizado por um sub-conjunto de propriedades. Outras propriedades são definidas a partir do referido sub conjunto sub-conjunto. • Postulado de estado: O estado de um sistema simples e compressível é definido por duas propriedades intensivas independentes. i d d 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 21
  22. 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Propriedades CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Intensivas e Extensivas Imagine um alteres em equilíbrio térmico Agora separe em partes Massa e Volume = soma das partes p Extensivas E a Temperatura? Intensiva 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 22
  23. 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Propriedades CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Intensivas e Extensivas • As propriedades intensivas só se definem em sistemas, em equilíbrio, i.e., quando o seu valor é o mesmo em todos os pontos do p sistema. • As propriedades intensivas por unidade de massa designam-se por específicas. • As propriedades extensivas podem ser transferidas entre sistemas termodinâmicos 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 23
  24. 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Definições Termodinâmicas ç • Denomina-se sistema simples e compressível se não existirem efeitos elétricos, magnéticos, f é é gravitacionais, de movimento e de tensão superficial Variação ou mudança de estado: ocorre, quando o valor de pelo menos uma propriedade primitiva se altera. Nota: não confundir mudança de estado com transição de fase. • Caminho: conjunto completo d estados assumidos por j l de d id um sistema durante uma variação de estado. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 24
  25. 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pressão Pressão Manométrica Positiva Pressão Manométrica Negativa Pressão Atmosférica essão t os é ca 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 25
  26. 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Medição Pressão ç • A força que age para baixo: Patm A + mg = Patm A + ρALg • Equilíbrio c/ para cima: PB A = Patm A + ρAL ALg • Resultando em: ΔP = PB − Patm = ρLg t 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 26
  27. 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Manômetros 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 27
  28. 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Temperatura e a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Lei Zero da Termodinâmica • Tato e temperatura • Taxa de Transferência de energia (potência) • Métodos para medir quente e o frio • Corpos em Temperatura diferentes 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 28
  29. 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Equilíbrio térmico q Figura 1. (a) Medida de temperatura do Bloco A; (b) Medida de Temperatura do bloco B. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 29
  30. 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Temperatura e a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Lei Zero da Termodinâmica • Equilíbrio Térmico: - Ausência de troca de energia energia. • LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C C, então A e B, estão em equilíbrio térmico entre si “ • TEMPERATURA (conceitualmente): ( ) - Propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outro corpo 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 30
  31. 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termômetros • Para ver se dois corpos estão a mesma temperatura não é necessário colocá-los em contato entre si, ã ái l ál t t t i basta verificar se estão em equilíbrio com um terceiro – o t t i termômetro. ô t 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 31
  32. 32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O Ponto Triplo da Água p g PT Ponto triplo da água: T3= 273 16 K ; P3 = 4 58 mmHg P i l d á 273,16 4,58 H 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 32
  33. 33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Termômetro de Gás CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA a Volume Constante Fig.A T Fi A -Termômetro a Gá ô Gás Fig.B Fig B – Gráfico típico de P x T obtido com um termômetro a gás a V=cte 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 33
  34. 34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Célula de Ponto Triplo p Em 1954 o Comitê Internacional de Pesos e Medidas, estipulou dois pontos para calibração de termômetros: • Zero Absoluto ( 3, 5 K); e o bso uto (273,15 ); • O ponto Triplo da água (273,16 K e 4,58 mmHg). FIG.A – Célula de Ponto Triplo , na qual gelo (sólido), a água (Líquido) e o vapor (Gás) coexistem em equilíbrio p ( ) q 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 34
  35. 35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Cálculos • A temperatura é dada por: T=Cp p = Pressão exercida pelo gás p g C= Constante de Proporcionalidade Se l S colocarmos o b lb em uma cela d ponto bulbo l de t triplo: T 3 = C p3 p3 = Pressão do gás no bulbo T = T3 (p/p3) = 273,16 K ( p/p3) 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 35
  36. 36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pressão x Temperatura p Problema: Gases diferentes = Resultados diferentes Fig. B - Temperatura versus pressão para gases Fig. A - Pressão versus temperatura para gases diluídos. diluídos. O que nos mostra o gráfico da Figura B?!!! ⎛ p⎞ T = 273,16⎜ lim Pgas →0 ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ p3 ⎠ 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 36
  37. 37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Termômetros CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Características • Termômetros (dispositivos) • Propriedade Físicas: P i d d Fí i 1. Volume de um fluido; 2. O comprimento de um sólido; 3. Volume de um gás mantido a pressão g p constante; 4. Pressão de um gás mantido em volume g constante; 5. Resistência elétrica de um condutor 6. Cor de um corpo quente; 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 37
  38. 38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termômetros Usuais • Termômetro de Mercúrio/Álcool Calibração Ponto de Fusão: 0 ºC = 32 ºF Ponto d Eb li ã P t de Ebulição: 100 ºC = 212 ºF Discrepâncias: Afastamento pontos de calibração. 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 38
  39. 39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Escalas Celsius e Fahrenheit • Grau Celsius: Tamanho igual do grau Kelvin. Usada em quase todos os países; Relação ºC/K: Tc = T – 273,15º. • Grau Fahrenheit: Estados Unidos Relação F/C: R l ã F/C TF = 9/5 T + 32º Tc Onde: d Tc = Temperatura em ºC TF = Temperatura em ºF T = Temperatura absoluta em K 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 39
  40. 40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Correspondência entre CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA algumas Escalas g Temperatura ºC ºF Ebulição água 100 212 Congelamento 0 32 água Zero da Escala -18 0 Farenheit Coincidência de -40 -40 Escalas Comparação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 40
  41. 41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Curiosidades 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 41
  42. 42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Revisão • Calor = Energia térmica em trânsito; • Temperatura = Propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outro; • LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: • “ Se o corpo A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B, estão em equilíbrio térmico entre tã B tã ilíb i té i t si“ 11/08/2009 17:18 Termodinâmica - Aula 1 - Prof. Douglas Bressan Riffel 42

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