Conceitos Básicos da Termodinâmica na Engenharia

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TERMODINÂMICA
Pollianna Jesus de Paiva Mendes Godoi
Conceitos básicos da 
termodinâmica
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Discutir a importância da termodinâmica na engenharia.
 � Conceituar sistemas abertos e fechados.
 � Descrever os conceitos fundamentais relacionados à temperatura e
pressão.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar a termodinâmica e quando ela é utilizada 
na engenharia, pois trata-se de uma parte da física bastante presente 
em máquinas, ferramentas e equipamentos, com os quais o engenheiro 
mecânico trabalhará durante sua vida profissional.
As máquinas, ao funcionarem, realizam queima de fluido com o intuito 
de produção de energia para produzir calor e trabalho. Dessa forma, as 
máquinas têm de possibilidade de operar. 
Importância da termodinâmica na engenharia
A necessidade do estudo da termodinâmica surgiu para a criação de novas 
máquinas com o intuito de aumentar a eficiência das antigas máquinas a 
vapor. A termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. O nome 
termodinâmica vem das palavras gregas thérme (calor) e dýnamis (força), que 
descrevem bem os primeiros esforços de converter calor em força. Hoje esse 
nome é amplamente interpretado para incluir todos os aspectos da energia e 
suas transformações, dentre eles a geração da energia elétrica, a refrigeração 
e as relações que existem entre as propriedades da matéria.
A termodinâmica é baseada em leis, cujos experimentos foram realizados 
há tempos, sendo elas: a lei zero da termodinâmica, a primeira lei da termo-
dinâmica, a segunda lei da termodinâmica e a terceira lei da termodinâmica.
A ciência da termodinâmica trata da quantidade de calor transferido quando 
um sistema passa por um processo de estado de equilíbrio para outro, sem 
fazer nenhuma referência sobre quanto tempo esse processo demora (ÇENGEL; 
GHAJAR, 2012).
A termodinâmica é encontrada normalmente em muitos sistemas de en-
genharia e em outros aspectos da vida; não é preciso ir muito longe para ver 
algumas áreas de sua aplicação. Na verdade, não é preciso ir a lugar algum. 
O coração está constantemente bombeando sangue para todas as partes do 
corpo humano, diversas conversões de energia ocorrem em trilhões de células 
do corpo e o calor gerado nele é constantemente rejeitado para o ambiente. 
O conforto humano está intimamente ligado a essa taxa de rejeição do calor 
metabólico. Tentamos controlar a taxa de transferência de calor ajustando 
nossas roupas às condições ambientais.
Alguns exemplos de termodinâmica incluem a rede elétrica ou de gás, 
os sistemas de aquecimento e condicionamento de ar, o refrigerador, o umi-
dificador, a panela de pressão, o aquecedor de água, o chuveiro, o ferro de 
passar roupa e até mesmo o computador e a TV. Em uma escala maior, a 
termodinâmica tem um papel importante no projeto das usinas nucleares, nos 
coletores solares e no projeto de veículos, desde os automóveis comuns até os 
aviões. A casa eficiente quanto ao consumo de energia foi criada com base na 
minimização da perda de calor no inverno e do ganho de calor no verão. O 
tamanho, a localização e a potência do ventilador do seu computador também 
são selecionadas após uma análise que envolve a termodinâmica (ÇENGEL; 
BOLES, 2013).
Muitos utensílios domésticos são projetados, totalmente ou em parte, com 
base nos princípios de transferência de calor. Alguns exemplos, alguns já 
citados, incluem fogões elétricos e a gás, aquecedores e ares-condicionados, 
geladeiras e freezers, aquecedores de água, ferros de passar e, até mesmo, 
computadores, TVs e DVDs. A transferência de calor representa importante 
papel no projeto de muitos outros dispositivos, como radiadores de carro, 
coletores de energia solar, diversos componentes de usinas elétricas e até 
naves espaciais. A melhor espessura de isolamento térmico para paredes e 
telhados, canos de água quente, vapor ou aquecedores de água é determinada 
com base na análise da transferência de calor e das considerações econômicas 
(ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
Conceitos básicos da termodinâmica2
Assim, é de suma importância a termodinâmica, pois são vários os equipa-
mentos que operam com troca de calor e transformação de energia em outra, 
equipamentos e máquinas que o engenheiro mecânico trabalhará durante sua 
carreira profissional.
Temperatura e lei zero da termodinâmica
A temperatura é a sensação térmica de um ambiente, podendo ser frio ou 
o grau de calor de determinado corpo. A temperatura também é o grau de 
agitação, ou medida dos átomos e moléculas do corpo.
Considere dois corpos isolados da vizinhança, mas colocados em contato um 
com o outro. Se um é mais quente do que o outro, o corpo mais quente esfria e 
o corpo mais frio esquenta; ambos sofrem alterações até todas as propriedades 
(exemplo resistência elétrica) dos corpos pararem de mudar. Quando isso ocorre, 
é dito que foi estabelecido um equilíbrio térmico entre os dois corpos. Assim, 
afirmamos que dois sistemas têm temperaturas iguais se não ocorre mudança 
em qualquer uma das suas propriedades quando os sistemas são colocados um 
em contato com o outro. Em outras palavras, se dois sistemas estão em equilíbrio 
térmico, postula-se que suas temperaturas são iguais.
Uma observação um tanto óbvia é chamada de lei zero da termodinâmica: 
se dois sistemas têm temperaturas iguais a um terceiro, eles têm temperaturas 
iguais entre si (POTTER; SOMERTON, 2017). É importante pensar que por 
terem as temperaturas iguais, os dois corpos ficam separados, porém em 
equilíbrio térmico em relação ao terceiro corpo.
Ao aquecer ou resfriar um corpo, algumas características são modificadas, sendo 
essas: o volume, a resistência elétrica e até mesmo o tamanho. Essas alterações estão 
relacionadas à variação de temperatura.
Ao aumentar a temperatura de um corpo, ele pode absorver calor; e ao ser diminuída 
a temperatura, o corpo pode liberar calor. Para saber a quantidade de calor deve-se 
utilizar a equação a seguir:
Q = m × C × ΔT
Onde m é a massa do corpo (gramas), C é a capacidade específica de calor e ΔT é a 
alteração de temperatura. ΔT é a diferença entre a variação de temperatura final menos 
a diferença de temperatura inicial. As temperaturas poderão ser em ºC ou em ºK.
3Conceitos básicos da termodinâmica
Sistemas abertos e fechados
Sistemas que não envolvem fluxo de massa por meio de suas fronteiras são 
sistemas fechados. Já em sistemas abertos, há a troca de calor e de matéria 
(energia) do sistema com o exterior, podendo haver variação de quantidades 
de troca.
Um sistema aberto é uma região criteriosamente selecionada no espaço. 
Em geral, ela inclui um dispositivo que envolve fluxo de massa, como um 
compressor, uma turbina ou um bocal. O escoamento por meio desse dispositivo 
pode ser melhor estudado selecionando-se a região dentro do dispositivo como 
volume de controle. Tanto massa quanto energia podem cruzar a fronteira de 
um volume de controle.
Em sistemas fechados, há somente a troca de calor (energia), podendo, 
assim, ter alteração nessa quantidade. Pode haver também um sistema isolado, 
no qual não existem essas trocas. Um sistema isolado não interage com o 
exterior e tem a quantidade de energia de sistema conservada.
Um sistema fechado consiste em uma quantidade fixa de massa e nenhuma 
massa pode entrar ou sair de um sistema fechado. Entretanto, a energia na 
forma de calor ou trabalho pode cruzar a fronteira e o volume de um sistema 
fechado não precisa ser necessariamente fixo. Se em um caso especial nem 
a energia atravessa a fronteira, esse sistema é chamado de sistema isolado 
(ÇENGEL; BOLES, 2013).
Propriedades de um sistema
Os sistemas termodinâmicos têm como propriedades a temperatura, o volume 
e a pressão. Um sistema é formado por determinada quantidade de elementos, 
com elevado número de pontos materiais, ou seja, átomos ou moléculas.
Para transformar calor em trabalho, o sistema realiza ciclos entre fontes,sendo quente e fria, continuamente, retirando assim a quantidade de calor da 
fonte quente, parcialmente convertida em trabalho, e rejeitando para a fonte 
fria a quantidade restante do calor.
Conceitos básicos da termodinâmica4
O vídeo a seguir mostra mais informações sobre os conceitos básicos da termodinâmica, 
para melhor entendimento. 
https://qrgo.page.link/dDcXY
Conceitos fundamentais relacionados à 
temperatura e à pressão
A temperatura é a propriedade que costuma ser mensurada por meio de ter-
mômetros e o calor está relacionado a essa propriedade. Calor é definido como 
a forma de energia transferida entre dois sistemas (ou entre um sistema e sua 
vizinhança) em virtude da diferença de temperaturas. Ou seja, uma interação 
de energia só é calor se ocorrer em razão de uma diferença de temperatura. 
Dessa forma, não pode haver qualquer transferência de calor entre dois sistemas 
que estejam à mesma temperatura (ÇENGEL; BOLES, 2013).
O calor é transferido por meio de três mecanismos: condução, convecção e 
radiação. A condução é a transferência de energia das partículas mais energé-
ticas de uma substância para as partículas menos energéticas como resultado 
da interação entre as partículas. A convecção é a transferência de energia entre 
uma superfície sólida e o fluido adjacente que está em movimento e envolve 
os efeitos combinados da condução e do movimento do fluido. A radiação é 
a transferência de energia em razão da emissão de ondas eletromagnéticas 
(ou fótons).
Eficiência é uma das palavras mais utilizadas na termodinâmica. Ela indica 
o grau de sucesso com o qual um processo de transferência ou conversão de 
energia é realizado. É também um dos termos mais mal utilizados na termo-
dinâmica, por isso é uma fonte de mal-entendidos. Isso acontece porque essa 
palavra é quase sempre utilizada sem uma definição apropriada. Em geral, o 
desempenho ou a eficiência podem ser expressos por meio da relação entre 
o resultado desejado e o fornecimento necessário (ÇENGEL; BOLES, 2013).
5Conceitos básicos da termodinâmica
O rendimento é a razão entre o trabalho realizado pelo ciclo termodinâmico 
e o calor que entra e é liberado pela fonte fria, isto é, a eficiência com que 
uma máquina opera. Durante a operação, a máquina nunca gera um 
rendimento de 100% porque o calor que sai da máquina nunca será igual a 
zero, pois para que gere a energia, é necessária a produção de calor. O 
volume é o espaço que determinado corpo ou fluido ocupa dentro de um 
sistema e pode ser alterado se submetido a diferentes temperaturas, 
dependendo do material aquecido.
Propriedades da matéria 
 As substâncias podem ser analisadas e identificadas de acordo com suas 
propriedades físicas e químicas. As propriedades químicas referem-se 
àquelas que, quando são coletadas e analisadas, alteram a composição 
química da matéria. Já as propriedades físicas são aquelas que são analisadas 
e coletadas sem a modificação na sua composição. Por sua vez, as 
propriedades físicas da matéria podem ser classificadas como intensivas, 
extensivas e específicas.
As propriedades intensivas são independentes da quantidade de 
substância que constitui o corpo. São exemplos à temperatura, a densidade 
relativa e a pressão. Enquanto as extensivas são dependentes da quantidade 
de substância que constitui o corpo como, por exemplo, massa, volume e 
comprimento. Já as propriedades específicas são aquelas que permitem a 
identificação da substância, pois são únicas para cada substância, entre elas: 
calor específico, ponto de fusão e ponto de ebulição.
Usualmente, uma propriedade específica é dada por unidade de massa e 
para representá-las utilizam-se letras minúsculas, como por exemplo, v, u, h 
e s. Como as propriedades tabeladas são específicas para uma determinada 
quantidade de massa, é necessário multiplicar os valores tabelados pela 
quantidade de massa, obtendo então as propriedades V, U, H e S.
Estas propriedades físicas são designadas por constantes físicas de uma 
determinada substância e o conjunto dos seus valores é como a identidade 
para a substância.
Conceitos básicos da termodinâmica6
Estado, equilíbrio, processos e ciclos
Quando se faz referência à temperatura ou à pressão de um sistema, 
pressupõe--se que todos os pontos do sistema têm a mesma temperatura ou 
pressão. Quando se pressupõe que as propriedades são constantes de um 
ponto ao outro e quando não há tendência de mudança com o tempo, existe 
uma con-dição de equilíbrio termodinâmico. Se, por exemplo, a temperatura 
aumenta subitamente em uma parte da fronteira do sistema, pressupõe-se 
que ocorre uma redistribuição espontânea até que todas as partes do sistema 
tenham a mesma temperatura.
Se um sistema sofre uma forte mudança nas suas propriedades quando 
exposto a uma pequena perturbação, é dito que ele está em um equilíbrio 
metaestável. Uma mistura de gasolina e ar seria um exemplo desse tipo de 
sistema, assim como uma vasilha grande sobre uma mesa pequena (POTTER; 
SOMERTON, 2017).
Quando um sistema muda de um estado de equilíbrio para outro, a 
série de estados sucessivos que o sistema atravessa é chamada de processo. 
Se, ao passar de um sistema para o outro, o desvio do equilíbrio é 
infinitesimal, ocorre um processo de quase-equilíbrio, e cada estado do 
processo pode ser idealizado como um estado de equilíbrio. Muitos 
processos, como a com-pressão e expansão de gases em um motor de 
combustão interna, podem ser aproximados por processos de quase-
equilíbrio sem gerar imprecisões significativas (POTTER; SOMERTON, 
2017).
A termodinâmica trabalha com estados termodinâmicos em equilíbrio e 
transformações de um estado de equilíbrio para outro. A transferência de 
calor, por sua vez, trabalha com sistemas que não estão em equilíbrio térmico, 
pois são fenômenos de não equilíbrio termodinâmico. Dessa forma, o estudo 
da transferência de calor não pode ser baseado apenas nos princípios da 
ter-modinâmica. As leis da termodinâmica estabelecem o ambiente de 
trabalho 
7Conceitos básicos da termodinâmica
na ciência da transferência de calor. A primeira lei estabelece que a taxa de 
energia transferida para um sistema deve ser igual à taxa de crescimento 
de sua energia. A segunda lei estabelece que o calor deve ser transferido na 
direção da menor temperatura. É o mesmo que um carro estacionado em 
uma descida, que deve se mover na direção de declive quando os freios são 
liberados. Esse processo é também análogo ao da corrente elétrica que flui 
na direção da queda de tensão elétrica ou ao do fluido que escoa na direção 
de queda da pressão total (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
Pressão absoluta e manométrica
Segundo Çengel e Cimbala (2015), a pressão é definida como uma força normal 
exercida por um fluido por unidade de área. Só falamos de pressão quando 
lidamos com um gás ou um líquido. O equivalente da pressão nos sólidos é a 
tensão normal. Como a pressão é definida como a força por unidade de área, 
ela tem como unidade newtons por metro quadrado (N/m²), que é denominada 
pascal (Pa). Ou seja, 1 PA = 1 N/m².
Segundo Çengel e Cimbala (2015), a pressão real em determinada posição 
é chamada de pressão absoluta, e é medida com relação ao vácuo absoluto 
(ou seja, a pressão absoluta zero). A maioria dos dispositivos de medição da 
pressão, porém, é calibrada para ler o zero na atmosfera e, assim, eles indicam a 
diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica local. Essa diferença 
é chamada de pressão manométrica. A Pman pode ser negativa ou positiva, 
mas as pressões abaixo da pressão atmosférica são chamadas de pressões de 
vácuo e são medidas pelos medidores de vácuo que indicam a diferença entre 
a pressão atmosférica e a pressão absoluta. As pressões absoluta, manométrica 
e de vácuo são quantidades positivas e estão relacionadas entre si por:
Pman = Pabs – Patm
Pvac = Patm – Pabs
A pressão é a força de compressão por unidade de área e parece ser um 
vetor. Entretanto, a pressão em qualquer ponto de um fluidoé igual em todas 
as direções. Ou seja, ela tem intensidade, mas não uma direção específica e, 
portanto, é uma quantidade escalar. Esse resultado se aplica tanto aos fluidos 
em movimento quanto aos fluidos em repouso, já que a pressão é escalar, não 
um vetor.
8 Conceitos básicos da termodinâmica
Variação de pressão em fluido estático
A pressão é determinada por meio da força sobre a área.
P = FA
O fluido pode ser líquido ou gasoso e para ser estático deve estar em 
equilíbrio, ou seja, fluidos em repouso e parados não havendo velocidade em 
nenhum dos seus pontos. A pressão exercida por um fluido sobre um corpo 
varia conforme a profundidade:
P = ρ g h
onde P é a pressão, ρ é a massa específica, g é a aceleração gravitacional e h 
é a profundidade.
Manômetro
É um instrumento que serve para a medição de pressão em líquidos e gases 
que estão dentro de recipientes fechados (Figura 1). O manômetro de coluna 
líquida é um tipo de manômetro com um tubo, no qual deve ser colocado 
o fluido. Então, é medida a pressão aplicada em uma das aberturas do tubo
enquanto uma pressão (podendo ser atmosférica) é aplicada em outra aber-
tura. Logo, é obtida a diferença entre as pressões, proporcional à diferença
do nível do fluido.
9Conceitos básicos da termodinâmica
Figura 1. Manômetro.
Fonte: rocharibeiro/Shutterstock.com.
A máquina térmica é uma máquina que funciona por meio de termodinâmica, ela 
queima combustível para gerar calor e produzir trabalho. Porém, nem todo calor (Q) 
é transformado em trabalho (W), pois ocorrem sempre perdas de parte da energia ao 
ser enviada para as fontes frias.
Esse tipo de situação ocorre em diversos equipamentos e máquinas, como o carro, 
as termoelétricas, entre outros.
10 Conceitos básicos da termodinâmica
ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos fluidos: fundamentos e aplicações. 3. ed. 
Porto Alegre: AMGH, 2015.
ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4. 
ed. Porto Alegre: AMGH, 2012.
POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W. Termodinâmica para engenheiros. 3. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2017. (Coleção Schaum).
Leituras recomendadas
#1 CONCEITOS básicos de termodinâmica: introdução. [S. l.: s. n.], 2016. 1 vídeo (22 min). 
Publicado pelo canal Engenharia & cia. Disponível em: https://www.youtube.com/wa
tch?v=W9qnNdhHxtA&list=PLo6rjdP2nbcjDlV1ULPvSOnZvlv8KKKTi&index=2. Acesso 
em: 28 jun. 2019.
IENO, G.; NEGRO, L. Termodinâmica. São Paulo: Pearson, 2006. 
LEI zero da termodinâmica. [S. l.: s. n.], 2019. 1 vídeo (6 min). Publicado pelo canal Física 
InFormal. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=ALNlTvGz6Xw. Acesso 
em: 28 jun. 2019.
MORAN, M. J. et al. Princípios de termodinâmica para engenheiros. 7. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2013.
NETZ, P. A.; ORTEGA, G. G. Fundamentos de físico-química. Porto Alegre: Artmed, 2014.
SEARS, F. et al. Física: termodinâmica e ondas. 10.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. v. 2.
TERMODINÂMICA: tudo o que você precisa saber: parte 1. [S. l.: s. n.], 2015. 1 vídeo (21 
min). Publicado pelo canal Responde aí. Disponível em: https://www.youtube.com/
watch?v=e1gCEMuf_1g. Acesso em: 28 jun. 2019.
WYLEN, G. V.; SONNTAG, R.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. 
4. ed. São Paulo: Bluncher, 1995.
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