Termodinâmica
Eng. Ambiente
1º Ano(Nocturno)
Capítulo 2- Conceitos e Definições
introdutórias em Termodinâmica
2.1
INTRODUÇÃO
Termodinâmica: Ciência que estuda a forma como os corpos
armazenam ou trocam energia (calor e trabalho) entre si.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
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. (podem ser isolados do sistema).
Universo (termodinâmico): união sistema-vizinhança.
A condição de um sistema varia, em geral, no decurso do
tempo. Num dado instante a condição de um sistema é
definida pelas suas propriedades.
Sistema isolado: O que não tem qualquer interacção com a
vizinhança: não troca com esta massa (matéria) nem energia.
Sistema fechado: o que não troca massa com a vizinhança,
mas pode trocar energia.
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Capítulo 2- Conceitos e Definições
introdutórias em Termodinâmica
2.2
Sistema aberto: o que pode trocar massa e energia com o
exterior.
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 efectuada sobre o sistema (volume, energia,
pressão, temperatura)
O valor das propriedades não depende da história, i.e do
processo.
Grandezas que não são propriedades: fluxos mássico e de
energia, trabalho e calor.
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.
As outras propriedades são definidas a partir do referido
sub-conjunto
Azoto
T=25 ºC
Postulado de estado
p = 105 Pa
O estado de um sistema simples e compressível é definido por
duas propriedades intensivas independentes.
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Capítulo 2- Conceitos e Definições
introdutórias em Termodinâmica
2.3
Denomina-se sistema simples e compressível se não
existirem efeitos eléctricos, magnéticos, gravíticos, 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 de estados assumidos por um
sistema durante uma variação de estado.
Processo: termo que designa a(s) transformação(ões)
(variações de estado) que ocorrem entre dois estados de um
sistema.
Fica definido pelos estados inicial e final, pelo caminho e,
pelos fenómenos ocorridos na fronteira
Um sistema diz-se estar num estado estacionário se o valor
das suas propriedades permanecer inalterado no tempo.
Ciclo: processo termodinâmico cujos estados inicial e final
são idênticos.
A variação de qualquer propriedade, num ciclo, é nula. A
variação de uma propriedade fica determinada pelos estados
inicial e final de um processo.
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2.4
Se X for uma propriedade tem-se, portanto
x ci clo  0
x 12  X2  X1 (independe nte do caminho)
Exemplos: Vapor de uma central, circuito de arrefecimento
de um automóvel, motor de um automóvel.
Nem todas as propriedades de um sistema podem variar
independentemente umas das outras; se do conjunto de
propriedades se extrair um conjunto completo de
propriedades qualquer outra propriedade Y se pode exprimir
como função unívoca das propriedades do referido conjunto,
i.e.,
Se (X1 .......... Xn) é um conjunto completo e se Y é outra
propriedade então Y=f(X1 .......... Xn)  Equação de Estado
Fase: Refere-se ao estado de agregação da matéria que
constitui o sistema.
Uma dada porção de matéria existe numa só fase (fase sólida,
líquida ou gasosa)
Possui composição química e estrutura física homogénea; em
certas condições,
Pode haver coexistência de fases.
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Capítulo 1- Conceitos Fundamentais
Substância pura: Substância
uniforme e invariável.
com
composição
2.5
química
Equilíbrio: Um sistema diz-se em equilíbrio se, depois de
isolada do exterior, o valor das suas propriedades não se
alterar com o tempo. Pressão e temperaturas uniformes em
todo o sistema
Os processos ocorrem entre estados de equilíbrio.



Equilíbrio Termodinâm ico 



Equilíbrio Mecânico
Equilíbrio Térmico
Equilíbrio de Fase
Equilíbrio Químico
Processo de quasi-equílibrio
Começa a um infinitésimo do estado de equilíbrio e todos os
estados intermédios podem ser considerados de equilíbrio.
Processos reais tem sempre situações de não equilíbrio
Exemplo: diferenças finitas de temperatura e de pressão
Vantagens dos processos de quasi-equilíbrio:
 Podem desenvolver-se modelos termodinâmicos simples e
obter respostas qualitativas sobre os sistemas reais.
 Permitem estabelecer relações entre as propriedades dos
sistemas.
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2.6
Energia:
O conceito de energia surge inicialmente com o carácter
restrito de energia mecânica (cinética e potencial).
Com o desenvolvimento da termodinâmica, no Séc. XIX,
alarga-se aos fenómenos térmicos.
Em sentido termodinâmico, a energia é a resultante
macroscópica dos modos de energia microscópicos possuídos
pelas partículas constituintes da matéria (energias de
translação, rotação, vibração e electrónica).
Transferência
de
energia:
A
característica
mais
fundamental associada à energia é a sua conservação, o que
implica que a energia de um corpo só possa variar recebendo
energia ou concedendo energia a outros corpos.
Trabalho e calor são termos usados para designar modos ou
formas de transferência de energia.
Trabalho: O trabalho, como se verá, pode assumir diversas
formas, a mais simples das quais corresponde à definição já
conhecida “produto de uma força pelo deslocamento do seu
ponto de aplicação”.
Calor: Fala-se em transferência ou em transmissão de valor
quando a energia é transferida em virtude de uma diferença
de temperatura. O calor constitui uma forma de
transferência de energia “mais desorganizada” ou
“desordenada” do que o trabalho.
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2.7
Propriedades intensivas e extensivas
 Extensiva: dependem do tamanho ou extensão do sistema,
o seu valor para o sistema é a soma das partes em que foi
dividido.
As propriedades extensivas são aditivas.
O seu valor depende da massa do sistema.
Exemplos: massa, volume, energia
 Intensiva: O seu valor não é aditivo, é independente do
tamanho do sistema, pode variar de ponto para ponto, é
função da posição e do tempo.
Exemplos:Temperatura, pressão, propriedades específicas
As propriedades intensivas só se definem em sistemas, em
equilíbrio, i.e., quando o seu valor é o mesmo em todos os
pontos do sistema.
As propriedades intensivas por unidade de massa designam-se
por específicas.
Há propriedades que não são extensivas nem intensivas (V2).
As propriedades extensivas podem ser transferidas entre
sistemas termodinâmicos.
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1
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2
Volume: 2m3
Volume: 4m3
Massa: 1Kg
Massa: 4Kg
T = 20 ºC
T = 20 ºC
2.8
Massa total = 1+4 = 5 Kg
Volume total = 2+4 = 6 m3
v1= 2/1= 2 m3/kg
v2= 4/4= 1 m3/kg
v = 6/5= 1,2 m3/kg
T = 20 ºC
Propriedade conservativa: se a soma dos valores assumidos
pela propriedade no sistema e na vizinhança for uma
constante, quaisquer que sejam os estados do sistema e da
vizinhança.
Exemplo: massa total, carga eléctrica total, etc
Processo termodinâmico
O valor de uma propriedade termodinâmica num determinado
estado não depende do processo seguido; e a sua variação
também não, dependendo apenas do estado inicial e final.
Quando a evolução desde o estado inicial até ao estado final
constitui um séria continua de estados de equilíbrio, o
processo é reversível (por exemplo, um qualquer processo
ideal, sem atritos).
Os processos reais são irreversíveis.
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2.9
Unidades de massa, comprimento, tempo e força
Unidade: quantidade especificada de matéria utilizada para
comparação, em relação à qual outra quantidade da mesma
espécie é medida.
Exemplo: metro – comprimento;
tempo - segundo, minuto, hora
As grandezas físicas estão relacionadas entre si. Um pequeno
número de grandezas é suficiente para conceber e medir as
outras – dimensões primárias.
Dimensões primárias: L, M, t, T, i
As restantes dimensões designam-se por secundárias
Dimensões secundárias: Área, Volume, Força, Energia,
Potência, etc.
Sistema Internacional – SI:
Unidades primárias:
L – metro (m)M – Kilograma (kg)
T – segundo (s)
Unidades secundárias:
t – Kelvin (K)
Força – Newton (N),
Energia – Joule (J),
Potência – Watt (W)
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2.10
Mole: quantidade de matéria que contem um número de
partículas elementares (átomos, moléculas, iões) igual ao
número de átomos contidos em 12 gramas de Carbono-12.
Kilomole – quantidade de matéria de uma dada substância em
Kilogramas numericamente igual ao peso molecular.
Número de Kilomoles 
m massa - kg
M Peso molecular - kg/kmole 
Volume específico - v.
A matéria está distribuída de modo contínuo – hipótese de
continuum
m
ρ  lim    ML-3  kg/m3  massa específica
V V' v 
V’ é o menor volume onde a matéria pode ser considerada
contínua
 pode variar com a posição no espaço ou com tempo.
ρconstante
m   ρ dV 

 m  ρ dV  ρV
Volume específico – v; volume molar
1
 L3M 1  m3 kg
ρ
v  v M  L3M1  M kmole -1  m3 kg  kg/kmole  m3 kmole
v
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Pressão - p.
2.11
A
Fluído em repouso - Força normal à área A - Fnormal
Fnormal
onde A' é a área no ponto
AA'
A
p  lim
A pressão pode variar de ponto para ponto.
A pressão atmosférica varia com a altitude
A pressão nos oceanos varia com a profundidade
Unidades da pressão: SI – Pa = N/m2
Outras unidades: kPa = 103 Pa; MPa = 106 Pa; bar = 105 Pa
1 atmosfera = 1,01325 x 105 Pa; 1 psi = 1lbf/in2 = 6895 Pa
A pressão pode ser relativa ou absoluta
Pressão absoluta é a pressão medida em relação ao vácuo
absoluto.
Pressão relativa é medida em relação à pressão atmosférica
local.
prelativo> 0
pabsolut
o
patmosférico
prelativo< 0
pabsoluto
A pressão relativa pode ser negativa ou positiva
A pressão absoluta é sempre positiva
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2.12
Medição de pressão: Manómetros ou transdutores de pressão
Coluna de líquido – p-patm =gh
Manómetros
Bourdon
Magnehelic
Sensores piezoeléctricos – alguns sólidos geram uma tensão
eléctrica por efeito da pressão.
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2.13
Temperatura – T
É uma propriedade intensiva.
Propriedade de sistema que determina se o sistema está ou
não em equilíbrio térmico com outros sistemas.
Equilíbrio térmico – igualdade de temperaturas.
T1 >T2
Postos em contacto : V1  V2 ,
T1 T2
resistividade 1 
resistividade 2 
As alterações das propriedades terminam – os corpos estão
em equilíbrio térmico. A propriedade utilizada para definir o
equilíbrio térmico é a temperatura
Lei zero da Termodinâmica
Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro estão
em equilíbrio entre si.
Para ver se dois corpos estão à mesma temperatura não é
necessário pô-los em contacto entre si, basta verificar se
estão em equilíbrio com um terceiro - termómetro
Termómetro - corpo em que pelo menos uma
propriedades mensurável varia com a temperatura.
das
A essa propriedade e substância chamam-se termométricas
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Capítulo 2- Conceitos e Definições
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Tipos de termómetro
2.14
Termómetro de líquido em tubo capilar
Termómetro de gás
Termopar
Sensores de resistência eléctrica.
Pirómetros
Estabelecer uma escala de temperaturas consiste em definir
um conjunto de regras que permitam atribuir um mesmo
número a todos os estados de equilíbrio térmico e números
diferentes a estados que não estão em equilíbrio térmico.
Uma vez estabelecida uma escala de temperatura a condição
necessária e suficiente de equilíbrio térmico é a igualdade
das suas temperaturas.
Se um dado sistema em equilíbrio termodinâmico, é
constituído por várias partes em comunicação através de
paredes diatérmicas, a temperatura toma o mesmo valor em
cada uma das partes; caso contrário não haveria equilíbrio
mútuo e, portanto, não haveria equilíbrio termodinâmico.
Ponto Fixo: é a temperatura de um estado de equilíbrio
termodinâmico escolhido
Ponto do gelo: temperatura de gelo puro em equilíbrio com
água saturada de ar à pressão de uma atmosfera.
Ponto de Vapor: temperatura de água pura em equilíbrio com
o seu vapor à pressão de uma atmosfera.
Ponto triplo da água: temperatura de água pura em equilíbrio
com gelo e com o seu vapor. (escala Kelvin = 273,16 K)
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2.15
Escalas de temperatura
Escala Celsius.
Água em fusão a 1 atmosfera: T= 0ºC
Água em ebulição a 1 atmosfera: T = 100 ºC
1ºC = 1 K; a escala tem a mesma unidade.
0º C = 273,15 K
T (ºC) = T (K) - 273,15
Escalas Rankine e Fahrenheit.
1 R = 1,8 K
T (R) = 1,8 T (K).
A escala Rankine é uma escala absoluta.
Escalas Fahrenheit.
Água em fusão a 1 atmosfera: T= 32 ºF
Água em ebulição a 1 atmosfera: T = 212 ºF
1ºC = 1,8 F.
T (ºF) = 1,8 T (ºC) + 32 ; T (ºC) = 5/9 [T (ºF) –32]
T (F) = T (R) –459,67