Física - Termodinâmica Resumão

Termodinâmica I 

PARTE 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 

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TERMODINÂMICA Estuda a ENERGIA e suas transformações. Fornece a base científica para a análise dos processos de conversão de energia Permite verificar a eficiência do uso da energia: custo e fatores ambientais envolvidos no processo de conversão. Permite entender da tendência futura energia - consumo e seu impacto sócio – econômico. O estudo da termodinâmica é voltado a 2 formas principais de energia: CALOR e TRABALHO.. TRABALHO

LEIS DA TERMODINÂMICA São baseadas na experiência. Lei zero: zero: Descreve a possibilidade de definir a temperatura dos objetos. 1ª Lei: Lei: Princípio da Conservação de energia 2ª Lei: Lei:

- Permite

- descrever a direção dos processos - calcular a eficiência de equipamentos e ciclos termodinâmicos - verificar se é possível ou não a ocorrência de um processo.

3ª Lei: Lei: Se ocupa das propriedades da matéria a temperaturas muito baixas

CONCEITOS FUNDAMENTA FUNDAMENTAIS IS 1. SISTEMA Objeto de análise identificado para estudo das interações (trocas de energia e/ou matéria) com o meio externo. - A composição da matéria dentro do sistema pode ser fixa ou variável. - A forma ou o volume do sistema não é necessariamente constante.

Vizinhança: Tudo externo ao sistema. Vizinhança: Fronteira: Separa o sistema do meio externo ou vizinhança. Pode estar em repouso ou

movimento.

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Qualquer análise termodinâmica começa  com a seleção do sistema, fronteira e vizinhanças 

vizinhança Embolo Móvel

vizinhança

Fronteira Móvel

gás

Q

Fronteira Imaginária

vizinhança

Fronteira Real

vizinhança

2. TIPOS DE SISTEMAS a) Isolados: não trocam matéria ou energia com o meio externo. b) Fechados: Não trocam matéria, mas podem permutar energia. c) Abertos: Podem trocar matéria e energia com sistemas vizinhos. Superfície de controle

Sistema

massa

massa SIM

NÃO

Fechado

Volume de controle

m = constante energia

SIM .

Sistema Fechado

Energia SIM

Sistema aberto.

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3. TRAT TRATAMENTO AMENTO MACRO MACRO E MICROSCÓPICO Macroscópico(Termodinâmica Macroscópico (Termodinâmica Clássica): 

Relacionado ao comportamento ou efeitos totais ou médios de moléculas que compõe o sistema.



Não interessam detalhes moleculares e estrutura atômica.

Microscópico(Termodinâmica Microscópico (Termodinâmica estatística): 

Quando se considera a natureza molecular e atômica da matéria.



Para aplicações envolvendo laser, escoamento de gás a alta velocidade, cinética química, criogenia, cálculo de propriedades, etc.

4. PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS São características macroscópicas do sistema. Ex: massa, volume, pressão, temperatura, etc.

Propriedades Extensivas • • •

valor da propriedade para um sistema global é a soma de seus valores para as partes nas quais o sistema é dividido. dependem da quantidade de matéria contida no sistema podem variar com o tempo.

Ex: massa, volume, energia interna, entalpia, entropia.

Propriedades Intensivas • •

Não são aditivas. Seus valores são independentes do tamanho ou extensão de um sistema. São funções da posição e do tempo, mas não se alteram quando o sistema é subdivido. Ex: pressão, temperatura, viscosidade, massa específica, etc.

5. ESTADO • •

Condição do sistema descrito por suas propriedades. Quando as propriedades do sistema variam, o estado varia e o sistema é dito ter passado por um processo.

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6. PROCESSO É a transformação de um estado a outro. A variação no valor de uma propriedade entre dois estados independe do processo. Ex: ∆T=T2-T1 Processos em que uma propriedade se mantém constante: Processo isotérmico = T constante Processo isobárico = p constante Processo isocórico ou isovolumétrico i sovolumétrico = V constante

T

p

T

v

Proces. Isotérmico

v

Proces. Isobárico

v

Proces. isocórico

7. EQUILÏBRIO Um sistema em equilíbrio não experimenta nenhuma variação em suas propriedades. A termodinâmica trata com estados de equilíbrio. Equilíbrio térmico = mesma temperatura Equilíbrio mecânico = mesma pressão Equilíbrio químico = mesma concentração Equilíbrio termodinâmico deve satisfazer todas as formas de equilíbrio. Processo de quasiequilíbrio ou quasiestático: quasiestático: Processo em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal (processo lento). Todos os estados pelos quais o sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilíbrio.

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8. CICLO Seqüência de processos, que começam e terminam no mesmo estado. 2 2

1

3

1

9. FASE Quantidade de matéria que é homogênea na composição química e estrutura física (toda sólida, ou gás ou líquida). Em cada fase a substância pode existir a diferentes pressões e temperatura. Ex: - água líquida e vapor d’água – 2 fases - os gases podem ser misturados e formar uma simples fase

SISTEMAS DE UNIDADES Atribui valores numéricos específicos para fenômenos físicos observáveis, de maneira que estes possam ser descritos analiticamente. DIMENSÃO quantidade física utilizada para definir qualitativamente uma propriedade que pode ser medida ou observada. Exemplo: Comprimento [L], Tempo [t], Massa [M], Força [F] e Temperatura [θ]. UNIDADE são nomes arbitrários atribuídos às dimensões. Exemplo: dimensão → comprimento unidades → centímetros, pés, polegadas,

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SISTEMAS DE UNIDADES 1. Sistema Internacional - SI L M t

Comprimento Massa Tempo Temperatura

θ

metro quilograma segundo graus Celsius ou Kelvin

m kg s °C ou K

Força: Força: definida pela 2ª Lei de Newton F = m.a

F - força [N] 

m - massa [kg]

F = m.a kg



2

 m = N s2 

a - aceleração [m/s ] 2. Sistema Inglês L M F t θ

Comprimento Massa Força Tempo Temperatura

Pés libra-massa libra-força Segundo graus Fahrenheit ou Rankine

ft lbm lbf s °F ou °R

Força: Força: é estabelecido como uma quantidade independente definida por procedimento experimental: a força de 1 lbf acelerará a massa de 1 lbm 32,174 pés por segundo ao quadrado. - Ao relacionar força e massa pela lei de Newton, surge uma constante de proporcionalidade, gc: F=

m.a gc

=

1lbm.(32,174ft / s 2 ) gc

= 1lbf 

- gc terá as dimensões MLF-1t-2 - para sistema inglês: g c =

32,174lbm.ft lbf .s 2

gc tem o mesmo valor numérico que a aceleração da gravidade ao nível do mar, mas não é aceleração da gravidade. Serve para relacionar estas quantidades.

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3. Sistema Gravitacional Britânico L M F t θ

Comprimento Massa Força Tempo Temperatura

pés slug libra-força segundo graus Fahrenheit ou Rankine

ft slug lbf s °F ou °R

Outros: - Sistema Técnico de Engenharia: kg, m, s, kgf gc= 9,80665 kg.m/(kgf.s2) -

Sistema CGS: g, cm, s, dina

PESO ≠ MASSA O Peso de um corpo é definido como a força que age no corpo resultante da aceleração da gravidade. Varia com a altitude.

MASSA ESPECÍFICA E VOLUME ESPECÍFICO São propriedades intensivas: variam de ponto a ponto no sistema e com o tempo. - Massa específica ( ρ ): massa por unidade de volume. volume. ρ =

m V

,

 kg lbm   3, 3  m ft 

- Volume específico (v): (v) : inverso da massa específica ou o volume por unidade de  m 3 ft 3  V 1 massa. v = = , ,   m ρ kg lbm  

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PRESSÃO Para um fluido em repouso, a pressão (P) é definida como a força normal (F (FN) por unidade de área (A (A). Nestas condições, ela é chamada de pressão estática. F P= N A

SI: SI: 1Pa =

1N m2

, 1bar = 10 5 Pa = 0,1MPa

Pa , bar, psi

Inglês: Inglês: 1psi =

1lbf  in 2

A pressão é uma propriedade intensiva, varia de ponto a ponto no sistema. Exemplo: pressão atmosférica com a elevação, pressão com a profundidade de corpos na água

Manômetros de Pressão Pressão:: são instrumentos para medir a pressão de fluidos

(gasosos ou líquidos) em recipientes fechados. Os mais comuns são os manômetros e os tubos de Bourdon.

Manômetros: o manômetro tipo de nível utiliza uma coluna de líquido, normalmente

água (H2O) ou mercúrio(Hg), para medir a pressão, indicando a altura da coluna, a intensidade de pressão.

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Tubos de Bourdon: Bourdon : consiste em um tubo metálico curvado, de forma elíptica que se

tende a se endireitar quando aumenta a pressão do fluido no tubo e a se aper4tar quando a pressão diminui. Qualquer modificação na curvatura do tubo transmite-se através de um sistema de engrenagens para um ponteiro indicador

Tubo de Bourdon

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Barômetros: medem a pressão atmosférica através da altura de uma coluna de Hg

PA = Patm = Pvapor + gh

1 atmosfera padrão (atm) = pressão produzida por uma coluna de 760 mm de mercúrio a 273,15 K e sob aceleração gravitacional padrão na terra de g=9,8 m/s2 1 atm = 1,01325 x 105 Pa (N/m2) = 14,696 lbf/in2

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Pressão absoluta, pressão atmosférica e pressão manométrica

∆P = Pefe1

Pabs1

Patm

Patm

∆P = Pefe2

Pabs2 0

Pressão absoluta = Pressão total Pressão atmosférica = pressão exercida pela atmosfera (varia com o local e a elevação) e é o resultado do peso do ar. Medida com o barômetro. Pressão manométrica = pressão efetiva medida por aparelhos (manômetros). É a diferença entre pressão absoluta no sistema e a pressão atmosférica externa ao medidor

Pabs = Patm + Pefet1 1

Pabs2 = Patm − Pefet 2

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TEMPERATURA E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Temperatura: propriedade intensiva Temperatura: medida da sensacão de “quente”e “frio” quando temperatura varia outras propriedades também variam Igualdade de temperatura - equilíbrio térmico - quando as variações de uma propriedade sob observação cessam, finaliza interação Temperatura é a propriedade física que indica se os corpos estão em equilíbrio térmico (temperaturas iguais) Lei zero da termodinâmica “Dois corpos, cada um em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, estarão em equilíbrio térmico entre si” A Lei Zero da Termodinâmica é a base para a medição da temperatura. Se quisermos saber se 2 corpos estão a mesma temperatura basta verificar se eles estão individualmente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo → TERMÔMETRO Termômetros - qualquer corpo com pelo menos uma propriedade miscível que varie com a variação de temperatura (propriedade termométrica) Sensores de temperatura

substância termométrica

Termômetro líquido mercúrio, álcool Termômetro a gás Termopares

hélio ou hidrogênio

propriedade característica termométrica comprimento do líquido no capilar temperaturas normais pressão

união entre 2 metais: fem Cu/constantã, Pt/radio Sensores de materiais resistência elétrica condutores: Pt, Ni, Cu semicondu-tores Pirômetros de sensores radiação radiação pirômetros óticos

.precisão e exatidão .instrumento padrão de calibração altas temperaturas

de para medir T de objetos em movimento a T elevadas

Entretanto, necessita-se relacionar as temperaturas lidas em diferentes termômetros. 13

Escalas de temperatura São definidas para um valor numérico atribuído a um ponto fixo padrão. SI, a escala usada é a Celsius (°C) Sistema inglês, o Fahrenheit (°F) Até 1954 eram baseadas em dois pontos fixos reproduzíveis: temperatura de fusão do gelo - mistura água/gelo em equilíbrio com o ar saturada a 1 atm - 0°C, 32°F temperatura de vaporização da água - água e vapor em equilíbrio a 1 atm - 100°C, 212°F A partir de 1954 a escala Celsius foi redefinida em termos do ponto triplo da água coexistência das fases sólido, líquido e vapor => 0,01 °C

Escalas Absolutas (Escala termodinâmica de temperatura  ) Escala de temperatura independente da substância termométrica Obtida através do princípio da conservação de energia e segunda lei da termodinâmica A ESCALA KELVIN é uma escala de temperatura termodinâmica absoluta que dá uma definição de temperatura válida sobre todas as faixas de temperatura. Medidas com diferentes termômetros podem ser relacionadas a escala Kelvin. A escala Celsius tem a mesma magnitude que a Kelvin, portanto as diferenças são idênticas em ambas escalas. 0 °C= 273,15 K T(°C)= T(K)-273,15 A ESCALA RANKINE (°R) é associada a Fahrenheit (mesma magnitude) O zero absoluto da Rankine coincide com o da Kelvin. T(°F)= T(°R)-459,67 T(°F)=32+9/5 T(°C) T(°R)= 9/5 T(K)

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K

C

R

F

 

Ponto de  vaporização 

373,15 

100

671,67

212  

Ponto tripo  da água 

273,16

0,01

491,69

32,02  

273,15

0,00

491,67

32,0  

0,00

-273,15

0,00  

-459,67 

Ponto de  fusão 

Zero absoluto 

Kelvin

Celsius

Rankine

Fahrenheit  

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