Aula 01 - Conceitos Iniciais

Prévia do material em texto

CONCEITOS INICIAIS
Disciplina: Termodinâmica 
Prof. Dr. Jean César Marinozi Vicentini
DEQ
Departamento de 
Engenharia
Química
1
A Termodinâmica
A termodinâmica personifica a ciência da engenharia!
Ciência + Engenharia
Da origem, a termodinâmica tratava da conversão de calor em movimento.
Ciencia é apercepção de mundo
Engenharia uma atividade que aplica a ciência de forma criativa, p/ desenvolvimento de processos e produtos que beneficiam ahumanidade.
A termo, mais que qlq outro, entrelaça esses dois, do ponto de vista pratico e da beleza de que a constitui seu formalismo.
Termo foi desenvolvida p/ aumentar a eficiência das maquinas, em especial das que utilizam de carvão para gerar trabalho útil, com esse objetivo surgiram as 2 primeiras leis da termo.
2
A Termodinâmica
Engenharia Química
Fundamentos da Engenharia Química
Fenômenos de Transporte
Engenharia das Reações Químicas
Materiais e Utilidades
Operações Unitárias
3
Termodinâmica
Biologia
Física
Geologia
Oceanografia
Engenharia
A Termodinâmica
4
https://www.youtube.com/watch?v=0t_6FB_zMRg&ab_channel=Ci%C3%AAnciaTodoDia
Por que a tecnologia está copiando a natureza?
A linguagem da Termodinâmica
Universo
Fronteira
Sistema
Vizinhança
Não é necessário considerar todo o universo cada vez que pecisamos fazer algum cálculo.
6
A linguagem da Termodinâmica
Fronteira: Real/Física ou Fictícia
Fronteira Real: Delimitada pelo próprio equipamento.
Fronteira Fictícia: Uma fronteira arbitrária, diferente da Real.
Sistema: Aberto, Fechado ou Isolado 
Sistema Aberto: Massa cruza a fronteira do sistema
	(Sistema Aberto = Volume de Controle)
Sistema Fechado: Massa não cruza a fronteira do sistema, mas energia sim.
Sistema Isolado: Nem massa, nem energia cruzam a fronteira do sistema.
	
7
A linguagem da Termodinâmica
Propriedades Extensivas e Intensivas
Propriedade Intensiva:
Não depende da extensão/tamanho do sistema.
São escritas em letras minúsculas (exceto P e T).
Exemplos: h, g, u etc.
Unidade: Energia/mol
Não são aditivas
Obs.: : entalpia específica (Energia/grama)
Propriedade Extensiva:
Depende do tamanho do sistema.
Escritas em letras maiúsculas.
Exemplos: H, G, U etc.
Unidade: Energia
São aditivas
	
Fazer aqui o teste ao lado se determinada propriedade é ou não extensiva, dividindo um quadro em 2 com a propriedade.
Volume : m³
Volume molar: v = V/n (m³/mol)
Volume especifico ^v = V/m = 1/massa especifica
8
A linguagem da Termodinâmica
Estado Termodinâmico
É a condição em que o sistema se encontra em determinado momento.
O estado termodinâmica fixa os valores das propriedades intensivas de uma substância. Estas propriedades, pertencentes ao mesmo estado termodinâmico, são representadas por um subíndice em comum .
Quando o sistema muda de um estado para outro, ele sofre um processo.
Processo adiabático: Não há transferência de calor
Processo isotérmico: Não há variação de temperatura.
Processo isobárico: Pressão constante
Processo isocórico: Volume constante.
	
9
A linguagem da Termodinâmica
Funções de Estado / Variáveis de estado
São as propriedades termodinâmicas que dependem unicamente dos estados inicial e final de determinado processo.
São designadas por diferencial exata.
A relação entre as diferentes propriedades funções de estado se dá pela “Equação de Estado”.
Exemplo: m, n, P, T, V, U, S, H, G etc.
Funções do Caminho
São aquelas propriedades que dependem do caminho, e não apenas dos estados inicial e final.
São designadas por diferencial parcial
Exemplo: Q e W.
	
10
Propriedades mensuráveis
Variáveis mensuráveis
Variáveis capazes de serem aferidas/medidas em laboratório: Volume, temperatura e pressão.
Volume (extensiva/intensiva)
Temperatura (intensiva)
Medida indireta (Qualquer substância com alguma propriedade que varie com a T pode servir de termômetro)
Escalas 
	
Distribuição de Maxwell-Boltzmann
T : grau de agitação das moleculas
11
Propriedades mensuráveis
Variáveis mensuráveis
Variáveis capazes de serem aferidas/medidas em laboratório: Volume, temperatura e pressão.
Pressão (intensiva)
Força por unidade de área
De acordo com 2ª lei de Newton, força é a variação temporal do momento.
Unidades S.I.:
Enquanto no sistema inglês: 	
Eq. 1
O que acontece se?
Aumentar N?
Aumentar 
?
Há balanço de força entre P viz e P sistema
12
Propriedades mensuráveis
Variáveis mensuráveis
Variáveis capazes de serem aferidas/medidas em laboratório: Volume, temperatura e pressão.
Pressão (intensiva)
	
manométrica
Eq. 2
Eq. 3
Braço : tirante
Engrenagem deslocamento: cremalheira
Manômetros com líquido de preenchimento são utilizados em aplicações que possuem choque dinâmico e carga de vibração. O enchimento de líquido amortece as vibrações que ocorrem, aliviando assim a carga dos componentes mecânicos do manômetro. Os líquidos de preenchimento frequentemente utilizados, dependendo das condições do processo, são a mistura de glicerina e água (T ambiente) ou óleo de silicone (T elevada ou muito baixa). A caixa do manômetro não é completamente cheia, uma vez que, dependendo da umidade e da temperatura ambiente, o líquido de preenchimento absorve água adicional e consequentemente se expande.
13
Exemplo: Cálculo de pressão manométrica e absoluta.
Um manômetro a contrapeso, com um êmbolo de 1 cm de diâmetro, é usado para medições precisas de pressão. Em uma situação particular, o equilíbrio é alcançado com uma massa de 6,14 kg (incluindo êmbolo e plataforma). 
Se a aceleração da gravidade local é 9,82 m/s², qual é a pressão manométrica sendo medida?
Sendo a pressão barométrica igual a 748 torr, qual é a pressão absoluta?
14
Força 
A unidade de medida de força é o Newton [N].
[N] é uma unidade derivada no S.I.
Entretanto, no sistema inglês é uma unidade independente.
A relação entre as unidade é dado por:
Peso ≠ massa
O newton é definido como a força que, quando aplicada a uma massa de 1 kg, produz uma aceleração de 1 m/s².
Uma unidade é derivada quando é obtida da base do SI de acordo com a relação física entre as grandezas.
Atentem-se que, assim como força e massa são conceitos diferentes, lbf e lbm também são, ~logo não se cancelam. Quando uma equação possui as duas unidade é necessário aparecer a constante dimensional gc.
15
Exemplo: 
Um astronauta pesa 730 N no Texas, onde a aceleração da gravidade local é g = 9,792 m/s².
Qual a massa do astronauta e o seu peso na lua, em libra-força, onde g = 1,67 m/s²?
Podem fazer de dois jeitos, ou fazendo com as unidades presentes e no final converter de N para lbf, ou transformar as unidade de massa e aceleração para sistema inglês e com auxilio de gc encontrar em lbf.
16
Exemplo: 
Um astronauta pesa 730 N no Texas, onde a aceleração da gravidade local é g = 9,792 m/s².
Qual a massa do astronauta e o seu peso na lua, em libra-força, onde g = 1,67 m/s²?
Resolvendo de outro modo!
Podem fazer de dois jeitos, ou fazendo com as unidades presentes e no final converter de N para lbf, ou transformar as unidadede massa e aceleração para sistema inglês e com auxilio de gc encontrar em lbf.
17
Trabalho, W 
Por definição, trabalho (W) é realizado sempre que uma força atua ao longo de uma distância.
+W quando F tem mesmo sentido que o deslocamento.
-W quando F tem sentido oposto ao deslocamento.
Eq. 4
O trabalho que acompanha uma variação no volume de um fluido é frequentemente encontrado na termodinâmica, na forma da compressão ou expansão.
Eq. 5
Eq. 6
Falar do sinal negativo
18
Trabalho, W 
Eq. 6
A unidade de W no S.I. é o joule [J]
No sistema inglês é o pé-libra força [ft.lbf]
N = força, metro = deslocamento
Força F = massa.a = kg. m/s² [N]
19
Energia 
Conservação da Energia
Energia mecânica = ep + ec
20
Energia
Potencial
Cinética
Elástica
Térmica
Nuclear
Eletromagnética
Gravitacional
Interna
Elétrica
Química
Solar
Eólica
Maremotriz
Biomassa
Hidrelétrica
Energia 
Energia Cinética, 
Eq. 6
Eq. 7
Eq. 8
Eq. 4
As unidades de energia cinética é ou .
Eq. 9
Capacidade de um corpo de realizar trabalho
A eq 8 mostra que o trabalho efetuado SOBRE O corpo ára acelerá-lo de u1 para u2 é igual a variação da energia cinética do corpo.
21
Energia 
Energia Potencial, 
Eq. 10
Eq. 11
Eq. 12
Eq. 13
Voltemos ao conceito de energia, que é a capacidade de um corpo realizar trabalho.
Eq. 14
O trabalho mnimo requerido para elevar o corpo é igual a produto entre a força e a variação da altura, eq 11
Ou o trabalho realizado sobr eo opor ao eleva-lo é igual avariação da energia potencial.
Maçã:
Se enrgia é fornecida ao corpo ao eleva-lo, ele retém essa energia ate que ele realiza o trabaho de que é capaz, em queda livre o corpo perde energia potencial e ganha em cineica, de tal forma que a capacidade de realizar trabalho permanece inalterada.
22
Exemplo – Conservação de Energia 
Um elevado de 2500 kg encontra-se a 10 m acima da base do poço do elevador. Ele é elevado a 100 m acima da base do poço, onde o cabo de sustentação se rompe. O elevador cai em queda livre até a base, onde colide com uma mola. Admitindo que não haja atrito, considere g = 9,8 m/s², calcule:
A energia potencial do elevador na posição inicial em relação a base do poço;
O trabalho realizado para o elevador subir
A energia potencial do elevador na posição mais elevada;
A velocidade e a energia cinética do elevador no instante anterior à sua colisão com a mola;
A energia potencial da mola comprimida;
A energia do sistema formado pelo elevador e pela mola (1) no início do processo, (2) quando o elevador atinge a sua altura máxima, (3) no momento anterior à colisão do elevador com a mola, e (4) após o elevador ficar em repouso ao final do processo.
23
Exemplo – Conservação de Energia 
Um elevado de 2500 kg encontra-se a 10 m acima da base do poço do elevador. Ele é elevado a 100 m acima da base do poço, onde o cabo de sustentação se rompe. O elevador cai em queda livre até a base, onde colide com uma mola. Admitindo que não haja atrito, considere g = 9,8 m/s², calcule:
A energia potencial do elevador na posição inicial em relação a base do poço;
O trabalho realizado para o elevador subir
A energia potencial do elevador na posição mais elevada;
A velocidade e a energia cinética do elevador no instante anterior à sua colisão com a mola;
A energia potencial da mola comprimida;
A energia do sistema formado pelo elevador e pela mola (1) no início do processo, (2) quando o elevador atinge a sua altura máxima, (3) no momento anterior à colisão do elevador com a mola, e (4) após o elevador ficar em repouso ao final do processo.
24
Exemplo – Conservação de Energia 
Um elevado de 2500 kg encontra-se a 10 m acima da base do poço do elevador. Ele é elevado a 100 m acima da base do poço, onde o cabo de sustentação se rompe. O elevador cai em queda livre até a base, onde colide com uma mola. Admitindo que não haja atrito, considere g = 9,8 m/s², calcule:
A energia potencial do elevador na posição inicial em relação a base do poço;
O trabalho realizado para o elevador subir
A energia potencial do elevador na posição mais elevada;
A velocidade e a energia cinética do elevador no instante anterior à sua colisão com a mola;
A energia potencial da mola comprimida;
A energia do sistema formado pelo elevador e pela mola (1) no início do processo, (2) quando o elevador atinge a sua altura máxima, (3) no momento anterior à colisão do elevador com a mola, e (4) após o elevador ficar em repouso ao final do processo.
25
Calor, Q 
Calor
Assim como o trabalho, o calor existe como energia em trânsito de um corpo para outro, ou entre um sistema e sua vizinhança. 
Unidade de energia: caloria ou joule
1 cal = 4,184 J
ΔT é a força motriz para T.C.
Ou seja, não pode ser rmazenado, a gente não armazena calor, convertemos a energia prveniente do calor em outra energia que pode ser armazenada em um corpo.
26
Transferência de Calor: Mecanismos 
Condução
Convecção
Radiação
Não confunda , o 1º é calor (energia, J), o 2º é a taxa na qual T.C ocorre (). 
A expressão que os relaciona é: 
27
Lei Zero da Termodinâmica
Surgiu depois da elucidação da 1ª e 2ª leis da termodinâmica, entretanto, com a constatação de que calor também é uma fonte de energia e pode ser transformada em outra, logo era necessário inserir uma outra lei antes daquelas.
A
B
C
28
Equilíbrio
O termo equilíbrio se refere a uma condição na qual o estado não muda com o tempo (não há força motriz).
Sistemas sujeitos a fluxos resultantes não podem estar em equilíbrio, eles podem estar em estado estacionário.
Para estar em equilíbrio o sistema deve ser fechado.
*uma vez que tem força resultante para mover as espécies pelo sistema, que permita a entrada e o fluxo, como uma queda de pressão.
29
Equilíbrio
Termodinâmico
Equilíbrio mecânico (∆𝑷=𝟎)
Equilíbrio Térmico (∆𝑻=𝟎)
Equilíbrio Químico (∆𝒈=𝟎)
Equilíbrio
Termodinâmico
 
 
 
Equilíbrio
Equilíbrio entre fases diferentes ou entre espécies químicas diferentes dentro do sistema.
Em nível molecular temos um equilíbrio dinâmico 
O mesmo ocorre para reações químicas
Uma molécula o deixa o liquidoqnd tiver energia cinética masior que a energia de atração entre as moléculas na fase liquida, com isso a energia cinética media do liuido diminui, e a T cai junto, o que favorece a condensação.
30
Equilíbrio
de fases
Equilíbrio Térmico (∆𝑻=𝟎)
Equilíbrio mecânico (∆𝑷=𝟎)
Equilíbrio
de fases
 
 
Propriedades Termodinâmicas Independentes e Dependentes
Lembrem-se das variáveis de estado!
As propriedades termodinâmicas fornecem uma grande ferramenta para caracterização dos sistemas e a execução de cálculos de engenharia.
31
Tabelas Termodinâmicas
Gráficos
Diagramas
Postulado de Estado
Uma vez conhecido o valor de um certo número de propriedades do sistema, todas as outras propriedades estarão fixadas.
Propriedades Termodinâmicas Independentes e Dependentes
 é o número de graus de liberdade, ou o número de variáveis independentes intensivas necessárias para fixar o estado termodinâmico;
 é o número de substâncias presentes no sistema;
 é o número de fases presentes no sistema.
Regra das fases de Gibbs
Exemplo: Para uma substânciapura na fase gasosa é necessário quantas variáveis/propriedades independentes intensivas?
Fixando este número de propriedades independentes, as demais propriedades serão dependentes.
Eq. 2
32
Propriedades Termodinâmicas Independentes e Dependentes
Regra das fases de Gibbs
Se desejamos obter o valor de uma propriedade extensiva do sistema, devemos especificar também alguma variável extensiva que represente o tamanho do sistema.
Para determinar os volumes intensivo e extensivo de uma substância pura na fase gasosa podemos especificar as seguintes variáveis:
É comum escolhermos T e P, como variáveis independentes, pois são propriedades fáceis de serem mensuradas. Entretanto, pode-se escolher quaisquer 2 variáveis como independentes.
Eq. 2
Vamos ver em breve que temos tudo tabelado, fixando duas propriedades quaisquer, temos todas as outras dependentes.
Tabelas LSR, VSA por exemplo.
33
CONTATO
@jcmarinozi
jcmvicentini2@uem.br
(44) 99802-8153
35
image2.png
image3.png
image4.gif
image5.jpeg
image6.png
image6.jpg
image7.jpg
image8.jpg
image10.png
image11.png
image9.jpeg
image13.png
image9.png
image14.png
image100.png
image110.png
image12.png
image15.png
image16.png
image17.png
image18.png
image19.png
image20.png
image25.png
image27.png
image28.png
image36.png
image37.svg
 
.MsftOfcThm_Text1_Fill_v2 {
 fill:#FFFFFF; 
}
.MsftOfcResponsive_Stroke_ffc000 {
 stroke:#FFC000; 
}
 
image39.png
image50.png
image51.svg
 
.MsftOfcThm_Accent5_lumMod_75_Fill_v2 {
 fill:#CE2424; 
}
 
image57.png
image58.png
image59.svg
 
.MsftOfcResponsive_Fill_00b050 {
 fill:#00B050; 
}
 
image61.png
image62.svg
 
image4.png
image280.png
image290.png
image300.png
image310.png
image5.png
image8.png
image66.png
image67.png
image251.png
image261.png
image90.png
image271.png
image320.png
image101.png
image68.png
image69.png
image70.png
image71.png
image72.png
image73.png