CAPÍTULO 1
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CAPÍTULO 1
CONCEITOS BÁSICOS DA TERMODINÂMICA
SUMÁRIO
Cada ciência tem um vocabulário próprio e a Termodinâmica não é excepção.
Definições precisas dos conceitos básicos no desenvolvimento da Ciência evitam
mal entendidos.
Neste capítulo, revêm-se os sistemas de unidades e são explicados os
conceitos básicos da Termodinâmica tais como sistema, energia, propriedade,
estado, processo, ciclo, pressão e temperatura. O estudo cuidadoso destes
conceitos é essencial para uma boa compreensão dos tópicos dos capítulos
seguintes.
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1.1. Dados históricos
A Termodinâmica surgiu com o aparecimento da primeira máquina a vapor. As
primeiras referências a esta ciência surgem associadas aos trabalhos de Thomas
Savery (1697, Inglaterra) e Thomas Newcomen (1742, Inglaterra).
No ano de 1850, através de trabalhos de William Rankine, Rudolph Clausins,
e Lord Kelvin (William Thomson), surgem, simultaneamente, as 1ª e 2ª leis da
Termodinâmica. O termo Termodinâmica foi pela 1ª vez utilizada numa publicação
de Lord Kelvin em 1849. O primeiro livro de Termodinâmica foi escrito em 1859 por
William Rankine, professor da Universidade de Glasgow.
1.2. Termodinâmica e energia
A Termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. Apesar de
todos terem a ideia do que é energia, é difícil dar uma noção precisa deste conceito.
Energia pode ser encarada como a capacidade de causar transformações.
A palavra Termodinâmica é originária do idioma grego, em que a palavra
therme significa calor e dynamics significa potência. Actualmente a mesma palavra
engloba todos os aspectos de energia e a sua transformação, incluindo produção de
potência, refrigeração e a relação entre as propriedades da matéria.
Uma das leis fundamentais da natureza é o princípio da conservação da
energia. Afirma-se, simplesmente, que durante uma interacção, a energia pode
mudar de uma forma para outra mas a quantidade total de energia mantêm-se
constante. A energia não pode ser criada ou destruída, pode apenas ser
transformada (Figura 1.1.).
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PE = 10 uni.
Ke = 0
Consumo de energia
(5 unidades)
Armazenamento de energia
(1 unidade)
PE = 7 uni.
Ke = 3 uni.
Saida de energia
(4 unidades)
Figura 1.1. Princípio da conservação da energia
A 1ª lei da Termodinâmica é simplesmente uma expressão do princípio da
conservação da energia e, consequentemente, a energia é uma propriedade
termodinâmica.
A 2ª lei da Termodinâmica estabelece que a energia tem qualidade bem como
quantidade, e os processos existentes ocorrem na direcção de decréscimo da
qualidade da energia. O calor só pode fluir de corpos quentes para corpos frios
(Figura 1.2.).
CAFÉ
QUENTE
Figura 1.2. O calor só pode fluir de corpos quentes para corpos frios
É conhecido que uma substância contem um elevado número de partículas
designadas por moléculas. As propriedades das substâncias naturalmente
dependem da composição dessas partículas. A pressão de um gás num recipiente é
resultante da frequência do movimento (choque) entre as moléculas e as paredes do
recipiente. Mas não necessitamos de conhecer o comportamento das moléculas do
gás para determinar a pressão exercida pelo gás no recipiente.
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Esta abordagem macroscópica ao estudo da Termodinâmica, que não
necessita do conhecimento do comportamento individual das partículas, é designada
por Termodinâmica Clássica. Fornece um caminho simples para a solução dos
problemas de engenharia.
Uma abordagem mais elaborada baseado no comportamento médio (grandes
grupos de partículas) é designada por Termodinâmica Estatística. Esta abordagem
microscópica servirá, neste curso, apenas como suporte.
1.3. Áreas de aplicação da Termodinâmica
Qualquer actividade de engenharia envolve a interacção entre energia e a
matéria. Uma boa compreensão dos princípios da Termodinâmica tem sido sempre
essencial para uma boa formação num curso de engenharia. Na Figura 1.3. estão
exemplificadas algumas áreas onde os princípios da Termodinâmica são largamente
aplicados.
Sistemas de ar
condicionado
Aviões
Corpo humano
Automóveis
Centrais
eléctricas
Figura 1.3. Aplicações da Termodinâmica
Sistemas de
refrigeração
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1.4. Dimensões e unidades
As unidades fundamentais são a massa m, comprimento L, tempo t e a
temperatura T.
UNIDADES FUNDAMENTAIS
massa, m
comprimento, L
tempo, t
temperatura, T
Outras unidades, como a
velocidade V, energia E, volume v , etc,
designamos por unidades derivadas.
Unidades S.I. (Sistema Internacional)
DIMENSÃO
UNIDADE
Comprimento
metro (m)
Massa
quilograma (kg)
Tempo
segundo (s)
Temperatura
kelvin (K)
Corrente eléctrica
ampere (A)
Quantidade de luz
candela (c)
Quantidade de matéria
mole (mol)
É do senso comum que todas as equações têm de ser homogéneas
dimensionalmente, o mesmo acontecendo na Termodinâmica, ou seja, cada termo
de uma equação tem que ter, obrigatoriamente, as mesmas unidades. Se numa
determinada altura nos depararmos a resolver uma equação em que os seus termos
apresentam unidades diferentes, então podemos concluir que nos enganámos
nalgum cálculo. Deste modo, a verificação das unidades pode servir como uma
ferramenta bastante valiosa para a detecção de erros.
Ex: E = 25 KJ + 7 KJ/kg (equação não homogénea dimensionalmente)
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1.5. Sistemas fechados e abertos
Um sistema termodinâmico, ou simplesmente um Sistema, é definido como a
quantidade de matéria ou região do espaço seleccionado para o nosso estudo. A
superfície real ou imaginária que separa o sistema dos arredores é designada por
fronteira (Figura 1.4.).
Fronteira
ARREDORES
SISTEMA
Figura 1.4. Fronteira que delimita um sistema
A fronteira pode ser fixa ou móvel. Os sistemas podem ser considerados
fechados ou abertos, dependendo se a massa é fixa ou volume fixo no espaço
escolhido para o estudo.
Um sistema fechado, designado também por controlo de massa, consiste
numa quantidade fixa de massa, e não há transferência de massa através da
fronteira. Isto quer dizer que num sistema fechado não entra nem sai massa do
sistema (Figura 1.5.).
Figura 1.5. - Sistema fechado
No entanto, a energia na forma de trabalho ou calor pode ser transferida
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através da fronteira. Portanto, o volume num sistema fechado não têm que ser fixo
(Figura 1.6.).
Figura 1.6. Sistema fechado com uma fronteira móvel
Se, no caso especial, não houver transferência de energia através da fronteira
o sistema é designado por isolado.
Um sistema aberto, ou controlo de volume, é uma região seleccionada no
espaço; normalmente engloba equipamentos que envolvem fluxo de massa tais
como: compressores, turbinas, tubeiras, etc. O fluxo através destes sistemas é
melhor compreendido delimitando uma região de controlo de volume. Tanto a
energia como a massa podem fluir de e para o sistema (Figura 1.7.).
Superfície
de controlo
massa
SIM
Saída de
água quente
Água
quente
Controlo de
volume
(Controlo de
volume)
energia
Entrada de
água fria
SIM
Tanto a massa e a energia fluem
através do sistema
Sistema aberto com uma entrada
e uma saída
Figura 1.7. Sistema aberto ou controlo de volume
RESUMO
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Neste capítulo foram introduzidos e explicados os conceitos básicos da
Termodinâmica. A Termodinâmica é uma ciência que lida principalmente com fluxos
de energia. A 1ª Lei da Termodinâmica não é mais do que o princípio da
conservação da energia e define energia como uma propriedade termodinâmica. A
2ª Lei da Termodinâmica define que a energia tem quantidade e qualidade e que
todos os processos ocorrem no sentido do decréscimo da qualidade da energia.
Um sistema de massa constante é chamada de Sistema fechado ou Controlo
de massa onde apenas ocorrem fluxos de energia, quer na forma de calor, quer na
forma de trabalho. Um sistema que envolve transferência de massa e energia
chama-se Sistema aberto ou Controlo de volume.
À soma de todas as formas de energia de um sistema dá-se o nome de
energia total a qual engloba a energia cinética, energia interna e energia potencial.
Um sistema diz-se em equilíbrio termodinâmico se mantiver um equilíbrio
térmico, mecânico, de fases e químico. Qualquer alteração de um estágio para outro
chama-se processo. A um processo onde o estágio de partida é igual ao estágio de
chegada chama-se ciclo. O estado de um sistema compressível é perfeitamente
definido por duas propriedades intensivas e independentes.
A pressão é definida como a força por unidade de massa e a sua unidade é o
pascal. Para medir uma diferença de pressões (baixas) usa-se um manómetro onde
a altura da coluna de fluído h corresponde à diferença de pressão: ∆P = ρgh, onde ρ
é a densidade do fluído e g a aceleração gravitacional. A pressão atmosférica é
medida com recurso a um barómetro: Patm = ρgh, onde h representa a coluna de
líquido acima da superfície livre.
As escalas de temperatura usadas no Sistema Internacional e no Inglês são
as escalas Celsius e Fahrenheit, respectivamente. A escala de temperatura absoluta
usada pelo SI é a escala Kelvin, sendo as suas relações as seguintes:
T(K) = T(ºC) + 273,15
T(R) = T(ºF) + 459,67
onde,
∆T(K) = ∆T(ºC)
∆T(R) = ∆T(ºF)