TERMODINÂMICA APLICADA

Transcrição

1 TERMODINÂMICA APLICADA LEONARDO DE QUEIROZ MOREIRA

2 Conceitos e definições GOIÂNIA, 29/08/2016.

3 Objetivo Apresentar os conceitos e definições preliminares utilizadas durante o curso de termodinâmica Aplicada;

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

5 Tópicos abordados Sistema e volume de controle Pontos de vista macroscópico e microscópico Estados e propriedades de uma substância Processos e ciclos

6 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;

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

8 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.

9 Aplicações da Termodinâmica

10 Aplicações da Termodinâmica

11 Aplicações da Termodinâmica

12 Aplicações da Termodinâmica

13 Aplicações da Termodinâmica

14 Aplicações da Termodinâmica

15 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.

16 Sistema

17 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;

18 Sistema As fronteiras que circundam um sistema podem ser classificadas como: Adiabáticas: São aquelas onde não há fluxo de calor atravessando. Diatérmicas: São aquelas onde tem-se uma temperatura descrita e conhecida, sendo uma distribuição linear ou não. Newmann: São aquelas onde tem-se um fluxo de calor descrito e conhecido, sendo uma distribuição linear ou não.

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

20 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;

21 Volume de controle

22 Volume de controle

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

24 Macroscópico e Microscópico Abordagem macroscópica ou Termodinâmica Clássica; Efeitos totais ou efeitos médios de uma porção de moléculas; Sob o ponto de vista macroscópico, não interessa a ação isolada de uma partícula, e sim, nos efeitos médios de várias moléculas; Pressão: força média em relação ao tempo, que atua sobre uma certa área e pode ser medida por um manômetro.

25 Macroscópico e Microscópico Abordagem microscópica ou Termodinâmica estatística; O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas que compõem o sistema de interesse e relacionar essa informação com o comportamento macroscópico observado do sistema.

26 Macroscópico e Microscópico Exemplo do ponto de vista microscópico Sistema com gás monoatômico, a pressão e temperatura atmosféricas, contidos em um recipiente cúbico com arestas de 25mm. Este sistema possui aproximadamente átomos; O comportamento desde sistema pode ser determinado por: 3 coordenadas (x,y,z) para representar as posições de cada átomo; 3 variáveis para descrever o vetor velocidade (u,v,w) de cada átomo; 6 equações/átomos, são átomos totaliza-se equações para serem resolvidas.

27 Macroscópico e Microscópico Abordagem estatística: Considerações estatísticas; Teoria da probabilidade; Modelo de molécula. É estudada pela teoria cinética e mecânica estatística.

28 Meio contínuo A matéria é feita de átomos que são amplamente espaçados em fase gasosa. No entanto, é muito conveniente para desconsiderar a natureza atômica de uma substância e vê-lo como uma porção contínua e homogênea (sem espaços), ou seja, um meio contínuo. A hipótese de contínuo -> permite assumir as propriedades variam continuamente no espaço sem descontinuidades ou variações abruptas. Validade -> o tamanho do sistema é grande em relação ao espaço entre as moléculas.

29 Estado e propriedade de uma substância Fase: é uma quantidade de matéria totalmente homogênea; Em cada fase as substâncias podem existir a várias pressões e temperaturas; Exemplo: Água -> fase sólida, fase líquida e fase gasosa.

30 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. Ex. Volume específico: V v m

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

32 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;

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

34 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.

35 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).

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

37 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.

38 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.

39 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.

40 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.

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

42 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.

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

44 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 T3, P3 T2, P2

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

46 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/ 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.

47 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;

48 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 a razão de 1 m/s 2 1 N = 1 kg m/s 2

49 Unidade de massa, comprimento, tempo e força Sistema Internacional

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

51 Volume específico e massa específica

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

53 Volume específico e massa específica Massa específica: massa associada a unidade de volume, ou o inverso do volume específico: 1

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

55 Energia A energia total de um sistema pode ser definida por: E U E E Em que: U - Energia interna; E c c - Energia cinética; E p Energia Potencial p

56 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.

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

58 Pressão Unidade no SI: Pascal (Pa): 1 Pa = 1N/m 2 Atmosfera padrão: 1 atm = Pa 1 bar = Pa = 0,1 Mpa No sistema inglês: lbf/in 2 ou psi: 1 psi = 6.894,757 Pa

59 Pressão Pressão absoluta: P abs Pressão atmosférica: P atm Pressão manométrica ou efetiva ΔP = P abs - P atm

60 Medidores de Pressão p a p b p a p b p p gl p p gl atm vapor m atm

61 Pressão

62 Pressão Um manômetro de mercúrio é utilizado para medir pressão no recipiente mostrado abaixo. Massa específica do mercúrio é kg/m 3 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.

63 Pressão kg m p p Hg , 24m 9,81 manométrica 2 m s kg Pa 31,996 kpa m s Pressão absoluta p P p abs atm Pa ( , 750 9,81) Pa Pa 1,303atm Patm Hg H g

64 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...

65 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.

66 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.

67 Temperatura Termômetros

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

69 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 a pressão de 1 atm (0 C). Ponto de ebulição (vapor): Uma mistura de água líquida e de vapor de água (sem ar) em equilíbrio a pressão de 1 atm (100 C).

70 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)

71 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Dado: enuncie de forma sucinta o que se conhece. Pede-se: enuncie concisamente, o que deve ser determinado.

72 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Diagrama Esquema tico e Dados Fornecidos: desenhe um esboço do sistema a ser considerado. Decida se utilizará: sistema volume de controle Identifique cuidadosamente a fronteira. Adicione ao diagrama informações do enunciado do problema que sejam relevantes.

73 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Diagrama Esquema tico e Dados Fornecidos: Liste todos os valores de propriedades que são fornecidos ou antecipe aqueles que podem ser necessários para cálculos subsequentes. Esboce diagramas de propriedades apropriados, localizando postoschaves de estado e indicando, se possível, os processos executados pelo sistema.

74 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Modelo de Engenharia: liste todas as hipóteses simplificadoras e as idealizações feitas a fim de tornar o problema viável. Algumas vezes essa informação pode ser adicionada aos esboços do passo anterior. O desenvolvimento de um modelo apropriado é um aspectochave para o sucesso da solução do problema.

75 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Analise: usando as hipóteses e idealizações adotadas, simplifique as equações de governo e as relações adequadas, colocando as nas formas que irão produzir os resultados desejados. É aconselhável trabalhar com as equações o máximo possível antes de substituir os dados numéricos. Realize, então, os cálculos necessários.

76 Metodologia para a Solução de Problemas de Termodinâmica Finalmente, avalie se as magnitudes dos valores numéricos são razoáveis e se os sinais algébricos associados aos valores numéricos estão corretos.