Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica Apostila de tm-425 Princípios de Máquinas Motrizes Segunda Parte Termodinâmica



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Universidade Federal do Paraná

Setor de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecânica



Apostila de

TM-425 Princípios de Máquinas Motrizes

Segunda Parte - Termodinâmica

Capítulo 1 - Conceitos e definições



1.1 - Termodinâmica

É a ciência que trata do calor e do trabalho, e daquelas propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho (energia mecânica, térmica, e etc.).

Na termodinâmica, as descobertas foram formalizadas através das seguintes leis básicas: primeira e segunda lei da termodinâmica.
1.2 - Sistema termodinâmico


Fig. 1.1 - Sistema
Sistema termodinâmico é definido como uma quantidade de matéria com massa fixa. Tudo a mais externo ao sistema é chamado de vizinhança ou meio externo e o sistema é separado da vizinhança por meio das fronteiras ou superfícies do sistema. Essas fronteiras podem ser fixas ou móveis. O sistema pode permutar calor e trabalho com o meio externo.
1.3 - Volume
de controle


Fig. 1.2 - Volume de controle


Volume de controle é definido como uma região fixa no espaço escolhida arbitrariamente com o objetivo de se analisar o comportamento das substâncias que atravessam esta região. A superfície desse volume é chamada superfície de controle. Massa, calor e trabalho (e também quantidade de movimento) podem atravessar esta superfície de controle.
1.4 - Termodinâmica microscópica e macroscópica - meio contínuo

Do ponto de vista microscópico, a análise de substâncias na termodinâmica teria que utilizar um número extremamente elevado de variáveis para se conhecer a posição e a velocidade dos átomos e moléculas. Do ponto de vista macroscópico trata-se do efeito médio que as moléculas tem sobre as fronteiras do sistema e sobre o volume de controle.


1.5 - Estado e propriedades de uma substância e de um sistema

Ao considerarmos uma massa de água, sabemos que esta massa pode existir sob várias fases: sólida, líquida e gasosa (vapor d’água). Na mesma fase a substância pode estar submetida a diferentes pressões e possuir diferentes temperaturas; ou seja; a substância pode existir em vários estados na mesma fase.

O estado de uma substância pode ser identificado por certas propriedades termodinâmicas macroscópicas observáveis: pressão, temperatura e outras. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais: propriedades intensivas e extensivas.

Uma propriedade (ou também chamada grandeza) intensiva é independente da massa; o valor da propriedade extensiva varia diretamente com a massa considerada.

Ex.: Prop. Intensiva: pressão, temperatura, massa específica.

Prop. Extensiva: volume, massa

Obs.: Massa específica =  = massa da substância pura por volume ocupado

Unidade - [kg/m3]

Volume específico =  = volume ocupado dividido pela massa = 1/

Unidade - [m3/kg]


1.6 - Equilíbrio

Ao considerarmos iguais as propriedades da substância e as propriedades do sistema, consideramos que o sistema está em equilíbrio.



  • Equilíbrio térmico - igualdade de temperatura no sistema

  • Equilíbrio mecânico - pressão constante no sistema

  • Equilíbrio químico - reações iguais nos dois sentidos (produtos <> reagentes)

Equilíbrio termodinâmico = equilíbrio térmico + mecânico + químico simultâneos.


1.7 - Processos e ciclos


Fig. 1.3 - Transformação de estado de um sistema


Quando uma ou mais propriedades de um sistema em equilíbrio mudam de valor dizemos que ocorreu uma transformação no estado do sistema.

O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa é chamado de processo.


- Ciclo: Sequência de processos em que o estado final é igual ao estado inicial.


Fig. 1.4 - Processos e ciclos


- Processo de quase-equilíbrio: é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados pelos quais o sistema passa durante este processo podem ser considerados de equilíbrio termodinâmico.

- Processo de não-equilíbrio: é o contrário do anterior (é o que ocorre na situação real), ou seja, o sistema não está em equilíbrio termodinâmico em tempo algum durante o processo.

- Processo reversível: é aquele que se processa por infinitos estados de equilíbrio e desequilíbrio termodinâmicos e ocorre de maneira extremamente lenta e em qualquer momento pode se realizar em sentido inverso. São úteis do ponto de vista teórico, é básico para o entendimento da termodinâmica.

- Processo irreversível: é o contrário do anterior e portanto ocorrem na situação real. São processos que ocorrem com aumento de entropia (ver cap. 5).

- Processo com uma propriedade constante:

- Isotérmico: processo que ocorre em temperatura constante.

- Isobárico: processo que ocorre em pressão constante.

- Isométrico: processo que ocorre em volume constante.


1.8 - Unidades

Sistema

Massa

Comprimento

Tempo

Força

Energia

Potência

Prático Inglês

Lb

ft (pés)

s

lbf

cal-BTU

HP-CV

Prático métrico

kg

m

s

kgf

Joule

kW

Sist. Internacional

kg

m

s

N

Joule

kW

Transformação de unidades:

1 [lb] = 0,4535 [kg] 1 [ft] = 0,3048 [m] 1 [pol] = 0,0254 [m]

1 [kgf/cm2] = 9,8x104[N/m2] 1 [N/m2] = 1 [Pascal] = 1 [Pa] 1 [bar] = 105 [Pa]

1 [BTU] = 1.055,06 [J] 1 [cal] = 4,18 [J]

1 [CV] = 735 [W] 1 [HP] = 745 [W]


1.9 - Peso molecular:

É a massa de 1 mol da substância pura (1 mol = 6,02252 x 1023 átomos)



Ex.: 1) 1 [kgmol] de O2 = 32 [kg] de O2

2) 1 [gmol] de N2 = 28,016 [g] de N2

3) 1 [lbmol] de CO2 = 44,011 [lb] de CO2
1.10 - Escala de temperaturas:


Fig. 1.5 - Escalas de temperatura


São usadas duas escalas para medida de temperatura, chamadas de Escala Celsius (Anders Celsius , 1701-1744) e Escala Fahrenheit (Gabriel Fahrenheit , 1686-1736) e suas respectivas escalas termodinâmicas (absolutas): Kelvin e Rankine.

K = 0C + 273,15
R = 0F + 459,67

Fig. 1.6 - Ref. de medida de pressão


1.11 - Escalas de pressão

As pressões são medidas em várias unidades, com referência a partir da pressão atmosférica ou a partir da pressão zero absoluto. Devido a facilidade de construção de manômetros, a medida de pressão a partir da pressão atmosférica, chamada de pressão relativa, é largamente utilizada.



As pressões utilizadas na termodinâmica devem ser relacionadas com a pressão zero absoluto ou pressão absoluta e são sempre positivas.




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