Termodinâmica Capítulo 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Termodinâmica

Capítulo 1
Alguns Conceitos e Definições

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

Calor e Temperatura
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;


Princípio Básico da
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.


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas Térmicas
q

Máquina de Savery (1698) Máquina de Newcomen


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Máquinas Térmicas
q

1º Máquina de WATT(1763)
q ( ) 2º Máquina de WATT (1782)
q ( )


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”


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


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:


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


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


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Massa de Controle


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Volume de Controle


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.


Definições
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


Localização do

?
Potência conhecida
Determinar quanto
tempo o
compressor precisa
operar até que a
é
pressão no tanque
se reduza até um
d é
determinado valor.


Localização do

?
Entrada e saída de
ar conhecida
Determinar o
consumo de
energia.


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.

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

Propriedades
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


Propriedades
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


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.


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pressão

Pressão Manométrica Positiva

Pressão Manométrica Negativa

Pressão Atmosférica
essão t os é ca


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


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Manômetros


Temperatura e a
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


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Equilíbrio térmico
q

Figura 1. (a) Medida de temperatura do Bloco
A; (b) Medida de Temperatura do bloco B.


Temperatura e a
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


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


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


Termômetro de Gás
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


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


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)


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 ⎠

Termômetros
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;


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.


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


Correspondência entre
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


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Curiosidades


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“


Termodinâmica Capítulo 1

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Termodinâmica Capítulo 1

Similaire à Termodinâmica Capítulo 1 (20)

Plus de UFS - Brasil / Prof. Douglas Bressan Riffel

Plus de UFS - Brasil / Prof. Douglas Bressan Riffel (9)

Termodinâmica Capítulo 1