Conceitos Fundamentais Termodinãmica

1. TERMODINÂMICA
CONCEITOS FUNDAMENTAIS

2. Conceitos e definições

3. Tópicos abordados
Unidades: massa, comprimento, tempo e força
Energia
Volume específico
Pressão
Temperatura
Lei zero da termodinâmica

4. Tópicos abordados
Sistema e volume de controle
Estados e propriedades de uma substância
Processos e ciclos

5. O que é Termodinâmica?
◦ A palavra termodinâmica deriva das palavras gregas therme (calor) e dynamis
(força/potência).
◦ Ciência da energia e da entropia;
Definição alternativa:
◦ Estudo das leis que regem a relação entre calor e outras formas de energia.
◦ Ciência que trata do calor e do trabalho;

6. Termodinâmica
Por meio de experimentos e do método científico, as descobertas da
foram formalizadas através:
◦ Lei zero;
◦ Primeira, segunda e terceira leis da termodinâmica;

7. O que é Energia?
◦ É uma capacidade de causar alguma alteração;
Princípio de conservação de energia: Durante uma
interação, a energia pode mudar de uma forma para
outra, mas a quantidade total de energia permanece
constante.
A primeira lei da termodinâmica: Uma equação para
a conservação da energia.

8. Aplicações da
Termodinâmica

9. Aplicações da
Termodinâmica

10. Aplicações da
Termodinâmica

11. Aplicações da
Termodinâmica

12. Aplicações da
Termodinâmica

13. Aplicações da
Termodinâmica

14. Sistema
Sistema é usado para definir o objeto em análise que possui uma
quantidade de matéria fixa.
Tudo o que é externo ao sistema é chamado de vizinhança ou meio;
A separação entre o sistema e o meio é chamada de fronteiras do sistema;
◦ Repouso;
◦ Movimentando.

15. Sistema

16. Sistema
Calor e trabalho podem cruzar as fronteiras
do sistema;
Sistema isolado: é aquele que não é
influenciado pelo meio (vizinhança)
◦ Calor e trabalho não cruzam as fronteiras do
sistema;

17. Sistema
Fronteiras:
◦ Rígidas: São aquelas que não se deslocam com tempo.
◦ Móveis: São aquelas que se deslocam com tempo.

18. Volume de
controle
Volume de controle: Uma região
devidamente selecionados no
espaço.
É geralmente envolve um
dispositivo que envolve o fluxo de
massa, tal como um compressor,
turbina, ou bocal.
A superfície desse volume é
denominada superfície de
controle;

19. Volume de
controle

20. Volume de controle

21. Sistema e Volume de controle
Outras denominações:
Sistema fechado = sistema –> massa fixa;
Sistema aberto = volume de controle –> fluxo de massa;

22. Estado e propriedade de uma substância
Propriedade é uma característica de um sistema para as quais um valor
numérico pode ser atribuído em um instante de tempo sem o
conhecimento do comportamento prévio (história ou caminho) do
sistema.
Ex.: Massa, volume, energia, pressão e temperatura.
Propriedade específica: é a propriedade por unidade de massa.
m
Ex. Volume específico: v 
V

23. Estado e propriedade de uma substância
independente da massa;
Propriedades termodinâmicas
Propriedades intensivas Propriedades extensivas
varia diretamente com a
massa;

24. Estado e propriedade de uma substância
Se uma quantidade de matéria, em um dado estado, for dividida em duas
partes iguais:
◦ As propriedades intensivas permanecem com mesmo valor;
◦ As propriedade extensivas tem o valor reduzido pela metade;

25. Estado e propriedade de uma substância
Exemplo de propriedades:
◦ As propriedades intensivas -> Temperatura; Pressão; Massa específica;
◦ As propriedade extensivas -> Massa; Volume total.

26. Estado e propriedade de uma substância
Estado refere-se à condição de um sistema
descrito por suas propriedades.
◦ Temperatura, pressão e massa específica,
entalpia, entropia...
Cada uma das propriedades de uma
substância apresentam somente um
determinado valor para um dado estado,
independentemente da forma pela qual a
substância chegou até ele.

27. Estado e propriedade de uma substância
A termodinâmica clássica enfatiza principalmente os estados de equilíbrio
e as mudanças de um estado de equilíbrio a outro.
Estado de equilíbrio: é um estado que não existem potenciais
desequilibrios dentro do sistema (forças motrizes).

28. Estado e propriedade
de uma substância
Quando um sistema é isolado seu
estado pode mudar como
consequência de eventos
espontâneos que estejam ocorrendo
internamente, à medida que suas
propriedades, tendam a valores
uniformes.
◦ Quando todas essas mudanças
cessam o sistema está em equilíbrio.

29. Estado e propriedade de uma substância
Equilíbrio térmico: variação da temperatura é
nula em todo o sistema;
Equilíbrio mecânico: variação da pressão é nula
em todo o sistema.
Equilíbrio de fase: se o sistema contém duas
fases e a massa de cada uma das fases alcança o
equilíbrio e não se altera mais.
Equilíbrio químico: Se a composição química de
um sistema não se altera com o tempo, isto é,
não há reações químicas ocorrem.

30. Estado e propriedade de uma substância
Quando um sistema está em equilíbrio, em relação
a todas as possíveis mudanças de estados ->>
Sistema está em equilíbrio termodinâmico.
Propriedades de um sistema em equilíbrio, i.e.,
implica que o valor da propriedade tem
significância para todo o sistema.

31. Estado e propriedade de uma substância
Quando, pelo menos, uma propriedade se altera em um sistema ocorreu uma
mudança de estado e diz-se que o sistema percorreu um processo.

32. Processos e ciclos
Caminho definido pela sucessão de estados
através dos quais o sistema percorre é
chamado processo;
Para descrever um processo
completamente, deve-se especificar os
estados inicial e final, bem como o caminho
que se segue, e as interações com o
ambiente.

33. Processos e ciclos
Processo ideal ou de quase-
equilíbrio: desvio do equilíbrio
termodinâmico é infinitesimal.
Todos os estados pelos quais o
sistema passa pelo processo podem
ser considerados estados de quase-
equilíbrio;

34. Processos e ciclos
Processo de não-equilíbrio: mudança rápida de estados;
Ficamos limitados a avaliação do sistema antes e após ocorrer o processo;
◦ Efeitos globais.

35. Processos e ciclos
Diagramas de processo são
representados graficamente pela
utilização de propriedades
termodinâmicas como eixos
coordenadas são muito úteis em
visualizar os processos.

36. Processos e ciclos
Processos:
◦ Isotérmicos - a temperatura permanece constante durante o processo;
◦ Isobárico - a pressão permanece constante durante o processo;
◦ Isocórico, isovolumétrico - o volume permanece constante durante o
processo;
Quando um sistema, em um dado estado inicial, passa por um certo
número de processos e finalmente retorna ao estado inicial, diz que
o sistema executou um ciclo. T1 ,P1
T2 , P2
T3 , P3

37. Unidade de massa, comprimento, tempo
e força – Sistema Internacional
Tempo:
◦ Unidade padrão: segundo – “s”;
◦ 1 s: tempo requerido para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclo do ressonador
que utiliza um feixe de átomos de césio-133
◦ Minuto (min), hora (h) e dia (dia)

38. Unidade de massa, comprimento, tempo
e força – Sistema Internacional
Comprimento:
Unidade padrão: metro – “m”;
1 m: comprimento da trajetória percorrido pela luz no vácuo durante o
intervalo de tempo de 1/299.792.458 s
Massa:
Unidade padrão: quilograma – “kg”;
1 kg: massa de um determinado cilindro de platina-irídio, mantido sob
condições preestabelecidas no Escritório Internacional de Pesos e Medidas em
Sevres, França.

39. Unidade de massa, comprimento, tempo
e força – Sistema Internacional
• Mol ou mole: quantidade de substância que contém tantas partículas
elementares quanto existem átomos em 0,012 kg de carbono-12. Por
exemplo: 1 mole de oxigênio diatômico tem peso molecular de 32 e uma
massa de 0,032 kg.
• kilomol: quantidade da substância, em quilogramas, numericamente
igual ao peso molecular;

40. Unidade de massa, comprimento, tempo
e força – Sistema Internacional
• Força
 Definida a partir da segunda lei de Newton:
◦ F=m.a
 Unidade padrão no sistema internacional é o Newton “N”;
 1 N: Força necessária para acelerar uma massa de 1 kg à razão de 1 m/s2
◦ 1 N = 1 kg m/s2

41. Unidade de
massa,
comprimento,
tempo e força –
Sistema
Internacional

42. Volume específico e massa específica
Considerando um pequeno volume de um sistema e considerando a massa
desse sistema, o volume específico é definido como:
onde V 'é o menor volume no qual o sistema pode ser considerado como
um meio contínuo.
V V '
m
v  lim
V

43. Volume específico e massa específica
• Volume específico : volume ocupado pela unidade de massa;
• Unidade padrão no SI:  é m3/kg;  é kg/m3;
• Obs: para volumes outra unidade utilizada é o litro (L), 1L=10-3 m3.

44. Volume específico e massa específica
Massa específica:  massa associada a unidade de volume, ou o
inverso do volume específico:


1

45. Energia
Definição: capacidade de se produzir um efeito;
◦ Pode ser acumulada em um sistema;
◦ Pode ser transferida de um sistema para outro;

46. Energia
A energia total de um sistema pode ser definida por:
E U  Ec  Ep
Em que:
U - Energia interna;
Ec - Energia cinética;
Ep – Energia Potencial

47. Energia
Exemplo:
Macroscopicamente o que importa é a
quantidade de calor que está sendo transferida;
Mudança das propriedades: temperatura e
pressão;
Traçar o Gráfico Temperatura por tempo.

48. Pressão
Pressão é definida como a componente normal da força por unidade de
área;
Em um fluido em repouso, a pressão é igual em todas as direções
n
 A A'
 A
p  lim
F

49. Pressão
• Unidade no SI: Pascal (Pa): 1 Pa = 1N/m2
• Atmosfera padrão: 1 atm = 101.325 Pa
• 1 bar = 100.000 Pa = 0,1 Mpa
• No sistema inglês: lbf/in2 ou psi:
• 1 psi = 6.894,757 Pa

50. Pressão
• Pressão absoluta: Pabs
• Pressão atmosférica: Patm
• Pressão manométrica ou efetiva
ΔP = Pabs - Patm

51. Medidores de Pressão
atm
p  p gL atm vapor m
p  p gL
p  p
a b
p  p
a b

52. Pressão

53. Pressão
Um manômetro de mercúrio é utilizado para medir pressão no recipiente
mostrado abaixo. Massa específica do mercúrio é 13.590 kg/m3 e a
diferença entre as alturas é igual a 0,24 m. Determine a pressão no
recipiente. Para determinar a pressão atmosférica foi usado um
barômetro com uma altura de 750 mm mercúrio.

54. Pressão
3
m
2
s
2
 Hg 13590
kg
0,24m9,81
m
 31996  31996 Pa  31,996kPa
manométrica
p  p
kg
ms
Pressão absoluta
p  P  p
abs atm
 31996 Pa  (13.5900,7509,81) Pa
PatmHgHg
131.984 Pa 1,303atm

55. Temperatura
O conceito de temperatura se origina das nossas percepções sensoriais;
◦ Noções de corpo “quente” ou “frio”;
◦ Usamos o sentido do tato para distinguir corpos quentes de frios;
◦ Escala em função da ordem em que ele é “mais quente”...

56. Temperatura
Considere dois blocos de cobre A e B, e
suponha que nosso sentido nos diga que o A
é mais quente do que o B.
◦ Se os blocos fossem colocados em contato e
isolados de suas vizinhanças;
◦ Após um tempo...
◦ Os blocos quando sujeitos ao tato produziriam a
mesma sensação térmica.

57. Temperatura
Os blocos possuem uma propriedade física que determina se eles estão
em equilíbrio térmico. Essa propriedade é chamada temperatura
◦ Quando os dois blocos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são
iguais.
Lei zero da termodinâmica.
Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles
estão em equilíbrio térmico entre si.

58. Temperatura
Termômetros

59. Temperatura
Todas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados
facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de
água:

60. Temperatura
Todas as escalas de temperatura são baseados em alguns estados
facilmente reproduzíveis como os pontos congelamento e ebulição de
água:
◦ Ponto de congelamento (solidificação): uma mistura de gelo e de água que
está em equilíbrio com ar saturado com vapor à pressão de 1 atm (0 °C).
◦ Ponto de ebulição (vapor): Uma mistura de água líquida e de vapor de água
(sem ar) em equilíbrio à pressão de 1 atm (100 °C).

61. Comparação entre as
escalas de temperatura
No SI é o grau Celsius (ºC)
No sistema inglês é o Fahrenheit (ºF)
Escala absoluta:
◦ Kelvin (K)
◦ Rankine (R)