Termodinâmica
Definição: a termodinâmica estuda as relações entre calor e trabalho e as propriedades das
substâncias que interagem nestas relações
Volume de Controle
Região do espaço limitada por uma superfície (real ou imaginária), pela qual passa energia na forma de
calor e trabalho.
Trabalho
Trabalho transferido para dentro ou para fora do volume de controle por meio de um eixo.
Ex..:trabalho que move uma bomba hidráulica.
Trabalho realizado através do movimento da fronteira do volume de controle.
Ex..: pistão se movimentando dentro de um cilindro.
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Termodinâmica
Trabalho
Trabalho
Fronteira
móvel
Gás
Gás
Compressão
Expansão
Calor
Forma de energia que se transfere entre dois pontos, devido a uma diferença de temperatura entre
eles.
ü Propriedades Termodinâmicas
a) Massa Específica (ρ )
b) Pressão (P)
ρ = m / V , [kg / m3 ]
P = dF / dA , [N / m2]
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Termodinâmica
termodinâmica
pressão absoluta
obs.: 1 atm = 105 Pa.
c) Temperatura (T)
Indica o potencial de troca de calor de um corpo.
Obs.: Tk = TºC + 273
d) Calor Específico ( c)
Propriedade do fluido que mede a energia necessária para elevar de 1 K a temperatura de uma massa
unitária de uma substância.
cp
calor específico a pressão constante (kcal / kg ºC)
Energia Interna
Relaciona-se com a troca de outras formas de energia entre uma substância que se encontra no interior
de um volume de controle e o meio.
Ex.: Panela com água no fogo.
Calor transferido para água eleva a energia interna de uma quantidade igual ao calor adicionado.
Medida feita a partir de um estado padrão, para o qual se convenciona que o valor da energia interna é
nulo.
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Termodinâmica
Princípio da Conservação de Energia:
m*c*( t - to) = m*( u - uo)
m: massa (kg)
c: calor específico (kcal / kg ºC)
t - to: temperatura (ºC)
Para to = 0 → uo = 0 e c = 1kcal /KgºC
u = c*t
“ A energia interna da água no estado líquido é numericamente igual a sua temperatura, na escala
Celsius”.
Quando um gás é comprimido, o trabalho utilizado provoca um aumento na energia interna de uma
quantidade igual a sua energia.
W = m*( u - uo )
ü
Entalpia
Soma das energias internas e de pressão em unidade de energia / unidade de massa.
h = u + p*v
m2)
p: pressão (N /
V: volume específico (m3 / kg)
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Termodinâmica
ü Entropia
Substância troca calor com o meio ambiente
✏
✏
ë temperatura aumenta;
ë temperatura diminui;
ë temperatura permanece inalterada (mudança de estado).
Q+
Q-
calor que entra no sistema.
calor que deixa o sistema.
∆S = ò dQ / T
ü Adota-se a temperatura medida na escala absoluta, de tal forma que o calor seja sempre positivo,
independente do sentido das trocas de calor.
Se T é positivo
calor
entropia aumenta
calor
entropia diminui
Estados de uma substância Pura
Ex..: água p = 1 atm
p = 10 atm
p = 100 atm
tv = 100ºC
tv = 179ºC
tv = 309ºC
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Termodinâmica
Para cada pressão, tomando-se como base a temperatura de vaporização, cinco situações
diferentes são definidas:
Líquido subresfriado
A água, a p = 1atm, vaporiza a 100ºC. Qualquer temperatura
abaixo desta define o estado sub-resfriado, desde que ela
permaneça líquida.
Ex. .: Água
p = 1 atm
t = 30ºC
(1)
Líquido saturado
Início da vaporização a uma determinada pressão. Água
totalmente no estado líquido, sendo que qualquer quantidade
adicional de energia provocará mudança de fase.
Ex..: Água
p = 1 atm
t = 100ºC
(2)
Vapor saturado
úmido
(3)
Líquido + vapor
Ex..: Líquido e vapor de água a 1 atm e t = 100ºC
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Termodinâmica
Final da vaporização na mesma pressão em que se iniciou .
Ex.: Vapor dágua a 1atm e t = 100ºC.
Vapor saturado
(4)
Quando se aquece o vapor saturado acima de sua
temperatura de vaporização, sem alterar a sua pressão.
Ex.: vapor dágua e 1 atm e t= 120ºC.
Vapor superaquecido
(5)
Primeira lei da Termodinâmica
Princípio da conservação de energia:
“ A somatória das energias que entram num volume de controle, menos a somatória das energias que
saem, é igual à variação de energia que ocorre dentro do volume de controle.”
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Termodinâmica
Calor Qs
Calor Qe
Volume de
Controle
(uf - ui)
Trabalho We
massa me
Trabalho Ws
massa ms
Fronteira do VC
Ee - Es = uf - ui
æ Ve 2
ö
ç
+ g × z e + he ÷÷
Ee = Qe + We + me × ç
è 2
ø
Es = Qs + Ws + ms ×
(
Vs 2
2
+ g × z s + hs
)
æ Ve 2
ö
æ Vs 2
ö
+ g × z e + h e ÷÷ − Q s − W s − m s × çç
+ g × z s + h s ÷÷ =
Q e + W e + m e × çç
è 2
ø
è 2
ø
m f × u f − mi × ui
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Termodinâmica
Volume de controle aberto em regime permanente
Regime permanente: propriedades internas ao VC permanecem inalteradas ao longo do tempo.
não há variação da energia interna: uf = ui
não há variação da massa: mf = mi
mi * (uf - ui) = 0
Qe + We + me x (Ve2 /2) + g x ze + he = Qs + Ws + ms x (Vs2 /2 + g x zs + hs)
Processos de aquecimento e de resfriamento
A variação de energia cinética e da energia potencial são desprezíveis em função da variação da
entalpia, do trabalho realizado ou do calor trocado.
Ainda, se nenhum trabalho de máquina é realizado
Q = m × (hs − he )
W=0
Temperatura
2
3
4
5
1
V esp (m3 / kg)
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Termodinâmica
Entropia aumenta quando um corpo ganha calor e diminui quando ele perde calor.
Líquido sub resfriado
vapor superaquecido
entropia aumenta
“ Aumento da entropia representa a evolução da matéria no
sentido de um estado mais desorganizado ou de maior liberdade.”
Diagrama Temperatura / Volume Específico
T (ºC)
tv4
P = 200
tv3
P = 20
tv2
P=2
V (volume m3/kg
específico)
tv1
P = 0,2
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Termodinâmica
Segunda Lei da Termodinâmica
ü Primeira lei : não impõe nenhuma restrição quanto ao sentido em que as transformações ocorrem .
Ex. : Calor transferido de uma fonte fria para uma fonte quente.Calor provocado pela frenagem de um
veículo. Pode voltar para o motor e se transformar em movimento.
ü Segunda lei : quando se deseja transportar calor de uma fonte fria para uma fonte quente, em uma
máquina cíclica, necessita-se realizar um trabalho (proveniente de uma fonte externa).
Ex. : geladeira .
Condensador
(4)
Calor Qcd
(1)
Válvula de
Expansão
compressor
Calor Qe
(2)
(3)
Evaporador
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Termodinâmica
ü Válvula de Expansão: líquido saturado ao passar pela VE, sofre uma brusca queda de pressão
sofrendo uma vaporização.
ü Evaporador: na saída da válvula, dependendo do fluído, a temperatura é inferior à do ambiente, e o
fluído indica um processo de troca de calor com o ambiente, retirando calor deste.
ü Compressor: o fluido refrigerante, em baixa pressão e temperatura, passa por uma compressão
para voltar ao estado inicial e reiniciar o ciclo de refrigeração.
ü Condensador: vapor e, alta temperatura, no estado superaquecido . Nesta etapa, o vapor cede calor
para o meio externo e, consequentemente, condensa.
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Termodinâmica
CICLO DE CARNOT
a) máquina térmica
Reservatório quente
q
Adiabático
(Bomba) Turb.
Gerador de vapor
isotérmico
(Bomba) Turb.
T2 → T1
T1 → T2
Condensador
isotérmico
q
Reservatório frio
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Aparelho de Ar Condicionado
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Self
-Contained
Self-Contained
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Termodinâmica
Usina de Piratininga
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Termodinâmica
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Termodinâmica
Bacia do Alto Tietê
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