EME-205
TERMODINÂMICA
calor
força,
movimento
• No início, ocupou-se do estudo
dos processos que permitiam
converter calor em trabalho
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Termodinâmica  ramo da Física
que tem por objeto de estudo:
os processos em que há transferência de
energia e/ou transformações de energia
em sistemas macroscópicos,em termos de
variáveis macroscópicas
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Sistemas macroscópicos → contêm um grande
número de partículas constituintes
(átomos, moléculas, ...)
NA  6,022 1023
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nº de Avogadro
Grandezas macroscópicas mensuráveis e
que servem para caracterizar o sistema.
(Ex: temperatura (t), pressão (P), volume (V),
magnetização de um íman (M), área superficial
de um líquido (S), tensão numa corda (T), etc.)
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Pressão:
• força por unidade de área
• independente da orientação da superfície
• forças de pressão sempre perpendiculares à superfície
dF
p
dA
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Unidades de Pressão
No Sistema Internacional de Unidades – SI a unidade de pressão
é o Pascal (Pa)
N
1 Pascal 1 2
m
As unidades inglesas de uso corrente para a pressão são Libraforça por pé quadrado (lbf/ft2) e Libra-força por polegada
quadrada (lbf/in2)
Obs.:
1 bar  10 Pa
5
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l bf
1 psi  1 2
in
Massa Específica
Massa específica é definida como a relação entre massa e
volume. A massa específica em um ponto é definida como:
m
  lim 
V  V V
 
 kg 
 m3 
 
Volume Específico
É o inverso da massa específica
m3 
v 

kg


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Temperatura
Interpretação microscópica  medida da energia cinética
média dos átomos ou moléculas que constituem o sistema.
(gases: energia cinética de translação; sólidos: energia
cinética de vibração)
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Temperatura
Definição operacional  a grandeza que se mede com um
termômetro.
A temperatura é lida no termômetro ao fim
de um certo tempo (tempo de relaxação),
quando A e B atingirem o equilíbrio térmico.
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Relação entre escalas de
temperatura
Celsius e Kelvin
T (K )  t (ºC )  273,15
Escala Kelvin:
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Escala Celsius:
Formalismo termodinâmico pode ser aplicado aos mais
diversos sistemas. Exemplos são:
• gás, líquido ou sólido num recipiente;
• corda esticada ou barra metálica;
• membrana esticada;
• circuito eléctrico;
• íman num campo magnético.
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Energia
Capacidade de produzir um efeito
Pode ser acumulada num sistema
Pode ser transferida (calor)
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Exemplo: líquido num recipiente
Energia potencial gravítica,
mgh
Energia cinética de rotação
das pás
Energia interna das
moléculas de água
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Sistema
termodinâmico
Uma certa porção de matéria, que
pretendemos estudar, suficientemente
extensa para poder ser descrita por
parâmetros macroscópicos.
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Vizinhança
do sistema
Aquilo que é exterior ao sistema e com
o qual o sistema pode, eventualmente,
trocar energia e/ou matéria.
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Fronteira
Superfície fechada, real (uma parede,
uma membrana, etc) ou abstracta
(imaginada por nós), que separa o
sistema da sua vizinhança.
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Exemplo: Gás contido num cilindro
com uma parede móvel
Vizinhança: ar exterior
ao recipiente
Parede móvel (êmbolo)
+
Superfície lateral do
cilindro
+
Sistema: gás num
recipiente de parede
móvel
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Base do cilindro
Fronteira: paredes do
recipiente
Sistema
isolado
Não troca energia nem matéria
com a sua vizinhança.
Sistema
fechado
Não troca matéria com a sua
vizinhança (pode trocar energia).
Sistema
aberto
Troca matéria com a sua
vizinhança.
Paredes móveis
(contrário: fixas)
Permitem transferência de
energia na forma de trabalho
mecânico.
Paredes diatérmicas
(contrário: adiabáticas)
Permitem transferência de
energia na forma de calor.
Paredes permeáveis
(contrário: impermeáveis)
Permitem transferência de
matéria.
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Sistema Isolado
Um sistema é dito isolado quando não há fluxos de massa, calor
ou trabalho pela sua fronteira.
Isolamento
Sistema isolado
Vizinhança
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VOLUME DE CONTROLE
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Transformação
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1
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Transformação
Estado 2
Estado termodinâmico  Condição em que
se
encontra
a
substância,
sendo
caracterizado pelas suas propriedades.
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Variação ou mudança de estado:
ocorre, quando o valor de pelo menos
uma propriedade primitiva se altera.
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Estado de equilíbrio
termodinâmico
Estado termodinâmico caracterizado por
um valor uniforme (o mesmo por todo o
sistema) e estacionário (não varia com o
tempo) das variáveis termodinâmicas.
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Equilíbrio térmico
Equilíbrio mecânico
Equilíbrio químico
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Valor uniforme da temperatura
(contato térmico entre subsistemas)
Valor uniforme da pressão (no
caso de gases).
Valor uniforme das concentrações
químicas.
Princípio Zero
SISTEMA C
SISTEMA
A
SISTEMA
B
SISTEMA C
SISTEMA
A
SISTEMA
B
Dois sistemas (A e B) em equilíbrio térmico com um terceiro
sistema (C) estão também em equilíbrio térmico um com o
outro. Isto é, verifica-se a propriedade transitiva da relação de
equilíbrio térmico.
A temperatura é a propriedade que é comum a sistemas
que se encontram em equilíbrio térmico (mesma classe de
equivalência).
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INTENSIVA: temperatura, pressão e massa específica
EXTENSIVA: massa e volume total
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Retirada de pesos
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Processo
termodinâmico
Transformação de um estado de equilíbrio
do sistema noutro estado de equilíbrio,
por variação das propriedades termodinâmicas do sistema.
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Exemplo: Expansão/compressão
de um gás ideal
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Processos
“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
P1
V1
T1
U1
Processos
P2
V2
T2
U2
Durante a transformação
Isotérmico
temperatura invariável
Isobárico
Pressão invariável
Isovolumétrico
volume constante
Adiabático
É nula a troca de calor com a vizinhança.
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Ciclo: processo termodinâmico
cujos estados inicial e final são
idênticos.
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COMPOSIÇÃO QUÍMICA É A MESMA
EM TODAS AS FASES
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*
*
*
*
*
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Água (fases - sólida, líquida, e vapor)
Mistura de água líquida e vapor dágua
Dióxido de Carbono (CO2)
Nitrogênio (N2)
Misturas homogêneas de gases, desde
que não ocorra mudança de fases.
ESTADO DE SUBSTÂNCIA
PURA COMPRESSÍVEL
SIMPLES.
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Definição de Gás
* Gás é toda substancia que se encontra no estado
gasoso, apresentando grande expansibilidade e
compressibilidade
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Gás Perfeito (Gás Ideal) é o que se encontra sob duas
condições:
1.
Inexistência de Forças Intermoleculares que garantam a
coesão de algum modo entre suas partículas, o que
impossibilita sua mudança de estado Físico
2.
O Volume de suas Partículas ser desprezível em relação ao
Volume ocupado pelo espaço entre elas.
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Gás ideal: superfície PvT
Cada estado de equilíbrio é
representado por um ponto na
superfície PvT e cada ponto na
superfície representa um
estado de equilíbrio possível.
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Processo isocórico
Processo isotérmico
Processo isobárico
Leis de Gay-Lussac:
P  const .T
v  const .T
(rectas)
Lei de Boyle-Mariotte:
Pv  const .
(hipérboles
equiláteras)
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EME-205
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Exemplos
1- Qual a massa de ar contida numa sala de
6m X 10m X 4 m se a pressão é 100 kPa e a
temperatura 25ºC ? Admitir que o ar seja um gás
perfeito.
2 – Um tanque tem um volume de 0,5 m3 e
contém 10 kg de um gás perfeito com peso
molecular igual a 24. A temperatura é de 25ºC.
Qual é a pressão ?
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EQUILÍBRIO DE FASES VAPORLÍQUIDA-SÓLIDA NUMA
SUBSTÂNCIA PURA
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etapa P e T são constantes
aumento de Volume
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A pressão está acima da
pressão de saturação para
a temperatura dada.
EME-205
A pressão é a pressão de
saturação para a
temperatura dada
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As duas fases coexistem nas
mesmas pressão e
temperatura
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vapor
Conceito de título
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A pressão é a pressão de
saturação para a
temperatura dada
EME-205
A temperatura é mais alta que
a temperatura de saturação
para a pressão dada
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Processo de Mudança de Fase
Líquido comprimido – não prestes a evaporar
Líquido saturado – prestes a evaporar
Mistura saturada de líquido e vapor – duas fases
Vapor Saturado – prestes para condensar
Vapor Superaquecido – não prestes para condensar
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Linhas de pressão
constante
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CONCEITO DE PONTO CRÍTICO
Estado de líquido saturado
=
Estado de vapor saturado
Nunca haverá duas fases presente
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Processo Isobárico
P = 1 atm
T, C
300
o
P3 = Psat = 1 atm
T3 = Tsat = 100 oC
P2 = Psat = 1 atm
100
5
T2 = Tsat = 100 oC
2
20
Mistura
Saturada
3
4
P4 = Psat = 1 atm
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1
T4 = Tsat = 100 oC
v
Processos Isobáricos
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Substância
Tc (K)(oC)
Pc(bar)
Ar
133 (-140)
37,7
Butano
425 (+152)
38
Propano
370 (+97)
42,7
CO2
304 (+31)
73,9
Hidrogênio
33,2 (-239,8)
13
CH4
191 (-82)
46,4
N2
126 (-147)
33,9
O2
154 (-119)
50,5
Água
647,3 (+374,3)
220,9
PONTO TRIPLO
Curva de
Fusão
P
Região da
Fase Sólida
Ponto
Crítico
Região da
Fase Líquida
Ponto
Triplo
Curva de
Vaporização
Região de vapor
superaquecido
Curva de Sublimação
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CONCEITO DE PONTO TRIPLO
Estado no qual as três fases
podem coexistir em equilíbrio
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EME-205
1 Bar = 0,1 Megapascal [MPa]
Vapor superaquecido - A temperatura é mais alta que a temperatura
de saturação para a pressão dada
Líquido comprimido - A pressão está acima da pressão
de saturação para a temperatura dada.
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Exemplos:
1 - Calcule o volume específico da mistura vapor e
líquido, de água a 200ºC e apresentando um título
igual a 70%.
2 – Um vaso com 0,4 m3 de volume contém 2,0 kg de
uma mistura de água líquida e vapor em equilíbrio a
uma pressão de 600 kPa. Calcular
a) O volume e a massa do líquido
b) O volume e a massa do vapor
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Exercícios
1 – Verificar se a água, em cada um dos estados
abaixo, é um líquido comprimido, um vapor
superaquecido, ou uma mistura de líquido e vapor
saturado:
(18 MPa, 0,003 m3/kg);
(1 MPa, 150ºC);
(200ºC, 0,2 m3/kg);
(10 kPa, 10ºC);
(130ºC, 200 kPa);
(70ºC, 1 m3/kg)
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Exercício proposto
Determine a fase, o título (se aplicável) e a propriedade
faltante (p ou T) para as seguintes condições da água:
a)
b)
c)
d)
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T = 120ºC
v = 0,5 m3/kg
P = 100 kPa
v = 1,6958 m3/kg
P = 5,00 MPa
v = 0,0010056 m3/kg
T = 350 ºC
v = 0,00800 m3/kg
Interpolação Simples
Vamos supor que seja necessário conhecer o volume específico da água à
198 ºC e título 50%. Como a informação diz respeito ao título, a conclusão
automática é que estamos lidando com mistura de líquido vapor. Para
continuarmos, precisamos das informações sobre os volumes específicos do
líquido saturado e do vapor saturado seco naquela temperatura.
Entretanto, consultando uma tabela como a abaixo, notamos que temos
informações na temperatura de 195 ºC e também à 200 ºC, mas não a
198. Assim, deveremos proceder à uma interpolação linear.
EME-205
O primeiro passo é montar a tabela:
O segundo passo é fazer a interpolação:
200  195 1,5538  1,3978 0,001156  0,001149 0,12736  0,14105



200  198
1,5538  x
0,001156  y
0,12736  z
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Psat (198º C )  1,4899 MPa
vl (198º C )  0,001153 m 3 / kg
vv (198º C )  0,13264 m 3 / kg
EME-205
Exercício proposto
Calcule o volume específico da água para uma
temperatura de 350ºC e pressão 400 kPa.
Calcule o volume específico da água para uma
pressão de 940 kPa, e título igual a 1.
Calcule o volume específico da água para uma
pressão de 500 kPa e temperatura de 30ºC.
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