TERMODINÂMICA BIBLIOGRAFIA •Faires, V.. “THERMODYNA MICS”. McMillan. •Reynolds / Perkins. “ INGE NIERIA TERMODINAMICA”. Wiley. •Rogers / Mayhew. “ ENGINEE”. RING THERMODYNAMICS”. Longman. •Wylen / Sonntag. “ FUNDA MENTALS OF CLASSIC THERMODYNAMICS”. Wiley. •Howell / Buckius. “ FUNDA MENTALS OF ENGINEE ”. RING THERMODYNAMICS”. McGraw Hill. Clito Afonso
TERMODINÂMICA •Çengel / Boles. “THERMODY NAMICS”. McGraw Hill. •Afonso, C.. “TERMODINÂ MICA”. FEUP. •Raznyevic. “TABLES ET DIAGRAMMES THERMODYNA MIQUES”. Eyrolles.
Clito Afonso
TERMODINÂMICA •Çengel / Boles. “THERMODY NAMICS”. McGraw Hill. •Afonso, C.. “TERMODINÂ MICA”. FEUP. •Raznyevic. “TABLES ET DIAGRAMMES THERMODYNA MIQUES”. Eyrolles.
Clito Afonso
TERMODINÂMICA PROGRAMA RESUMIDO 1º Semestre 1 - Int Introd rodução ução 2 - Conce Conceit itos os Fundam Fundament entai aiss 3 - Ener Energi gia. a. Lei Lei Zer Zeroo da da Ter Termo mo-dinâmica 4 - Prop Propri ried edad ades es das das Sub Subst stân ânci cias as Puras 5 - 1ª Lei da da Te Termodinâmica 6 - 2ª Lei da da Te Termodinâmica 7 - Entropia
Clito Afonso
TERMODINÂMICA 2º Semestre 8 - Compressores 9 - Ciclo de Rankine 10 - Ciclo Joule-Brayton 11 - Ciclo dos Motores Alternativos 12 - Ciclos Frigoríficos 13 - Misturas Gasosas 14 - Psicrometria 15 - Combustão
Clito Afonso
TERMODINÂMICA INTRODU Ç Ç ÃO Termodinâmica - Ciência que estuda a energia a as suas transformações. Energia - capacidade para produzir trabalho ou provocar mudanças. Definição geral, com muitas vertentes, que saem do âmbito da licenciatura em Engenharia Mecânica. Clito Afonso
TERMODINÂMICA TERMODINÂMICA - Ciência que estuda transformações energéticas, tais como calor e trabalho e as propriedades físicas das substâncias envolvidas nessas transformações.
Tendo por base o princípio “a energia não pode ser criada nem destruida”, rege-se por 4 leis fundamentais: lei 0, 1, 2 e 3. São leis baseadas na observação experimental. Abordagem Microscópica- Termo. Estatística Macroscópica- Termo. Clássica Clito Afonso
TERMODINÂMICA CONCEITOS FUNDAMENTAIS Sistema Termodinâmico Quantidade de matéria ou região do espaço sobre a qual incide a análise termodinâmica. Vizinhança - Toda a matéria ou espaço para além do sistema termodinâmico. Fronteira - Separação do sistema termodinâmico da vizinhança. - Real: rígida ou deformável - Imaginária (Nota: a fronteira não é um outro sistema! Não contém matéria nem ocupa volume). Clito Afonso
TERMODINÂMICA Sistema fechado (vulgo sistema) Sistema termodinâmico no qual não existe transferência de massa através da sua fronteira. Sistema aberto (vulgo volume de controle) - Sistema termodinâmico no qual existe transferência de massa através da sua fronteira. - Regime permanente - Regime uniforme Sistema isolado - sistema fechado em que não existem trocas de energia com o exterior. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Propriedades de um sistema Qualquer característica observável de um sistema. - Intensivas: p, T, ρ - Extensivas: E, V - Específicas:Extensivas/massa - Primárias: p, T, V - Deduzíveis: H, S
Estado de um sistema Conjunto das propriedades termodinâmicas necessárias à sua descrição completa. Clito Afonso
TERMODINÂMICA ESTADO
PROPRIEDADES
Cinemático Posição, veloc., etc. Estético
Odor, cor, etc.
Termodinâmico
Energia, temp., volume, etc.
Equação de estado Equação que estabelece a relação entre as propriedades termodinâmicas necessárias para definir o estado do sistema (p. ex.: f(p,V,T, m) =0). Este tipo de equações define uma superfície num referencial tridimensional. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Transformação Evolução de um sistema de um estado para outro ao longo de uma trajectória ou processo. (para que exista uma transformação é suficiente que uma das propriedades termodinâmicas do sistema se tenha alterado). Se a trajectória for fechada, dizse que o sistema percorreu um ciclo termodinâmico (as propriedades do sistema no instante final são iguais às do inicial). Clito Afonso
TERMODINÂMICA Fase Quantidade de matéria que seja homogénea quer na composição química quer na estrutura física (a matéria encontra-se ou no estado sólido, ou no líquido ou vapor). Equilíbrio Termodinâmico Um sistema está em equilíbrio termodinâmico se não existir nenhuma tendência para uma mudança espontânea do seu estado. É necessário que sejam satisfeitos os seguintes equilíbrios parcelares: Clito Afonso
TERMODINÂMICA 1º - Equilíbrio Térmico: temperatura uniforme em todo o sistema 2º - Equilíbrio Mecânico: expansões e compressões terminadas 3º - Equilíbrio Químico: não haja tendência para a ocorrência de reacções químicas. Transformação reversível A mais perfeita transformação que a mente humana possa conceber. Permite: -padrão de comparação -obtenção de ferramentas matemáticas Clito Afonso
TERMODINÂMICA ENERGIA Definição mecanicista: capacidade de um sistema em realizar trabalho. ⎧Microscopicas Formas de energia ⎨ ⎩Macroscopicas 1 Microscópica: energia que um sistema possui e que está relacionada com a sua estrutura e grau de actividade molecular. É independente de qualquer sistema de referência. 2 Macroscópica: energia que um sistema possui como um todo relativamente a um sistema de referência. Clito Afonso
TERMODINÂMICA 1 - Microscópica
• Energia Sensível: Movimento Energia associada Deslocação Translação Vibração Vibratória Rotação Rotacional Σ= Energ. Cinética E. Rotacional
E. Translação
E. Vibratória
Somatório da energia cinética de todas as moléculas: Energia Sensível.
(A velocidade média e a actividade das moléculas são proporcionais à temperatura.) Clito Afonso
TERMODINÂMICA • Energia Latente: à força intermolecular que mantém as moléculas “juntas” corresponde a uma forma de energia: Energia Latente (p. ex.: para passar uma substância do estado líquido a vapor é necessário fornecer energia latente para quebrar as forças intermoleculares). • Energia Química: energia associada às forças de ligação existentes entre os átomos de uma molécula. Importante nos processos de combustão. • Energia Nuclear : energia associada à estrutura atómica. Clito Afonso
TERMODINÂMICA E. Latente
E. Nuclear
Átomo
Molécula E. Sensível
E. Química
ENERGIA INTERNA
Somatório das energias microscópicas - U. U - Propriedade Termodinâmica. Energia interna específica: u=
U m
Energia interna: forma desor ganizada de de energia. Clito Afonso
TERMODINÂMICA 2 - Macroscópica Energia Cinética
A que resulta do movimento do sistema relativamente a um referencial. EC = ∫ Fdx 2ª Lei de Newton: F = m. a = m
dc d τ
=m
dc dx dx d τ
= mc
dc dx
EC = ∫ Fdx = ∫ m. c. dc 1 2 EC = m. c 2 EC - Propriedade Termodinâmica ec =
EC m
Clito Afonso
TERMODINÂMICA • Energia Potencial A que um sistema possui devido à sua cota num campo gravítico. EP = ∫ Fg dz = ∫ m. g . dz EP = m. g. z
EP - Propriedade Termodinâmica ep =
EP m
EC e EP - formas formas organizadas de energia. • Energia Eléctrica, Magnética, a associada aos efeitos de Tensão superficial são consideradas somente em casos especiais. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Energia total Somat ó ó rio das energias micros c ó picas e macrosc ó picas - E E . E = U + EC + EP = 1 2 = U + mc + mgz 2 1 2 E e = = u + c + gz 2 m E - Propriedade Termodinâmica Para que exista uma variação da propriedade termodinâmica “E” de um dado sistema, é necessário que haja transferência de energia entre este e a vizinhança. Clito Afonso
TERMODINÂMICA A Termodinâmica não fornece informação sobre o valor absoluto da energia total de um sistema. Permite somente determinar variações de energia que é o que importa em Engenharia. Assim, pode atribuir-se à energia o valor “0” ( E = 0) para um qualquer estado de referência , sendo então a variação da energia total do sistema independente do estado de referência. Clito Afonso
TERMODINÂMICA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA Para que exista uma variação da propriedade termodinâmica “E” de um dado sistema, é necessário que haja transferência de energia entre este e a vizinhança: •Calor •Trabalho Estas formas de energia, são, contrariamente às já enumeradas, energia em transição. Não pertencem a nenhum sistema e só podem ser contabilizadas na fronteira dos mesmos. Não são propriedades termodinâmicas. Clito Afonso
TERMODINÂMICA TRABALHO Definição mecanicista: Trabalho é realizado sempre que o ponto de aplicação de uma força se desloca na sua direcção: W = ∫ Fdx Comentários:
•So/ existe “W” se o ponto de aplicação da força se deslocar (energia em transição!!!). •Necessidade de se saber como a força se desloca (“W” não é propriedade termodinâmica!!!). •É mais interessante expressar “W” em termos de propriedades termodinâmicas, tais como: p, v e T. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Trabalho termodinâmico: Diz-se que um sistema realiza trabalho se o único efeito na vizinhança puder ser o de levantar um peso. Comentários:
•levantar um peso: corresponde efectivamente a uma força a deslocar-se numa dada direcção. • puder: basta haver a hipótese de. •único: não pode haver mais nenhum efeito na vizinhança!!! (Ex.: um corpo quente em contacto com água fria -vizinhança: a energia libertada -calor- pode vaporizar a água que pode ser utilizada numa turbina para a produção de “W”. Neste caso a energia libertada não é trabalho!) Clito Afonso
TERMODINÂMICA Trabalho de compressão ou de expansão de um fluido (sistema fechado)
δ W = F dx p =
F A
δ W = p A dx
d V = A dx δ W = p dV 1W2
V 2
= ∫ pdV V 1 Clito Afonso
TERMODINÂMICA Notas: •Equação de “W” é válida para qualquer outra configuração. •É necessário saber-se: p = p(V). •Escreve-se “δW” e não “dW”: “W” não é um diferencial exacto (depende do trajecto, não é uma propriedade termodinâmica). ∫ δ W =1W2 ≠ W2 − W1
•Convenção de sinais: “W” entra para o sistema: + “W” sai do sistema: 1W2
V 2
= − ∫ pdV V 1
•Trab. específico:
w=
Clito Afonso
W m
= − ∫ pdv
TERMODINÂMICA •Trabalho como uma área.
Casos típicos te 1.Evolução isocórica (V= C ) dV = 0 1W2
V 2
= − ∫ pdV = 0 V 1
Clito Afonso
TERMODINÂMICA 2.Evolução isobárica (p= Cte)
p = Cte = p1 = p2 1W2
V 2
V 2
V 1
V 1
= − ∫ pdV = − p ∫ dV =
= -p(V2-V1) = -mp (v2 - v1) 3.Evolução politrópica
(pVn = Cte) pV
n
te te
n
n
= C = p1V1 = p2V2 p = V 2
te
C
n
V
te
V 2
= − ∫ pdV = − C ∫
1W2 te
C
V
n
V 1 V
V 1
− V 1− n
1− n 2
dV
1− n 1
=
p2V 2 − p1V 1 n −1
p2 v2 − p1v1 =m n −1 Clito Afonso
=
=
TERMODINÂMICA 4.Evolução hiperbólica (pV=Cte) pV = C 1W2
te
= p1V1 = p2V2 p = V 2
te
V 2
= − ∫ pdV = − C ∫
C V
=
V 1 V
V 1
= − p1V 1 ln
dV
te
V 2 V 1
= − mp1v1 ln
V 2 V 1
Equa ç ão generalizada de trabalho Yi = Força generalizada Xi = Deslocamento generalizado W = ∫ Yi dX i
Potência Mecânica: .
W =
W
∆τ
Clito Afonso
TERMODINÂMICA Exemplos de outras formas de trabalho. Trabalho de uma mola linear e elástica:
dx x
F
W = − ∫ Fdx
Como neste caso, F = Kx: 1 2 2 Wmola = − ∫ Kxdx = − K ( x2 − x1 ) 2 Válido também para barras sólidas no domínio elástico. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Trabalho eléctrico:
W = VN em que:V - diferença de potencial N - Culombo Em termos de potência: .
W = VI
em que: I - Intensidade τ 2
W = ∫ VIdτ τ 1
Sendo V e I constantes: W = VI∆τ Clito Afonso
TERMODINÂMICA CALOR Calor (Q), tal como o trabalho é energia em transição ( nenhum corpo possui calor ou trabalho). O conceito de calor sofreu uma evolução histórica, tendo, como consequência, surgido diversas definições: •Calor é uma espécie de fluido, o cal ó rico, que é insípido, incolor, inodoro, sem gosto e sem massa que pode fluir de um corpo para outro. Se o calórico fluisse para um corpo a sua temperatura aumentaria e vice versa. Lavoisier, 1789. Clito Afonso
TERMODINÂMICA •Transferência de energia de um corpo para outro em virtude de diferença de temperaturas. •Transferência de energia por meios não mecânicos de um corpo para outro em virtude de diferença de temperaturas. •Transferência de energia não observável como trabalho macroscópico. Diferença entre “Q” e “W” “ Q” : forma de transferência de energia associada a uma variação de entropia. “ W W” ”: de transferência de energia sem variação de entropia. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Convenção de sinais: “Q” “Q” entr entraa para para o sist sistem ema: a: + “Q” “Q” sai sai do do sis siste tema ma:: Exemplo: Fronteira
Gás
Gás -
+
-
Bateria
+
Bateria
Existe “Q” Não existe “Q” Não existe “W” Existe “W” ∫ δ Q = 1Q2 ≠ Q2 − Q1
(Não (Não é difer diferen encia ciall exact exacta) a) Calor específico:
q=
Potência específica: Clito Afonso
Q m .
Q =
Q τ
TERMODINÂMICA TEMPERATURA Conceito já interiorizado: propriedade da matéria que se encontra relacionada com as nossas percepções de calor e de frio. Dois corpos do mesmo material. O sentido do tacto diz-nos que “A” est está mai mais qu quent ente do do qu que “B “B”. A
B
A
B
•Resistência eléctrica de “A” dimi diminu nuii e a de “B” “B” aume aument nta. a. •Volume de “A” diminui e de “B” aumenta. •etc. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Quando a variação das propriedade dadess ob obse serv rváv ávei eiss cess cessar ar qua quand ndoo postos em contacto
Equil Equ ilíb íbri rioo Té Térm rmic icoo Conclusão: existe uma propriedade ade fís física que det determ ermina se os materiais se encontram ou não em equilíbrio térmico: TEMPERATURA Assim, dois corpos estarão em equilíbrio térmico se a sua temperatu ratura ra for for a mesm mesma. a. Caso Caso cont contrá rá-rio, rio, um um terá terá um umaa T mai maiss elev elevada ada e have haverá rá tran transf sfer erên ênci ciaa de de cal calor or do corpo a mais alta temperatura para o de mais baixa temperatura. Clito Afonso
TERMODINÂMICA LEI ZERO DA TERMODINÂMICA “Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio entre si”. A
B
B A
C
C
Termómetro Se o mercúrio estiver em equilíbrio com o tubo de vidro e este também estiver com o corpo, o mercúrio também estará em equilíbrio com o corpo. Clito Afonso
TERMODINÂMICA A lei zero, relacionada com o equilíbrio térmico, foi formulada após as restantes leis da Termodinâmica, que se relacionam com transferências de energia, ou seja estão associadas a mudanças. ENERGIA Ponto de vista mecanicista: capacidade de um sistema em produzir trabalho. Viu-se que qualquer forma de energia estudada tem a capacidade de alterar o estado termodinâmico do sistema. Assim será mais conveniente definir energia como: Clito Afonso
TERMODINÂMICA Uma “quantidade” de um sistema que pode revestir-se de diversas formas e que descreve o estado termodinâmico do sistema, podendo ser alterada em consequência de transferências do ou para o sistema.
Clito Afonso
TERMODINÂMICA PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS SIMPLES E COMPRESS Í VEIS VEIS Substância pura: 1.Homogénea na composição (a parte é igual ao todo); mesma proporção relativa dos elementos químicos na amostra. 2.Homogénea na agregação química (na parte e no todo); todos os elementos químicos têm de estar combinados da mesma maneira. 3.Invariável na agregação química (ao longo do tempo). Clito Afonso
TERMODINÂMICA Exemplo: H2O Vapor
H2 + 1/2O2
H2 + O2
H2O Líq
H2O Líq
H2O Líq
a)
b)
c)
a) e b) satisfazem 1; c) não satisfaz 1 c) não é substância pura. a) satisfaz 2; b) e c) não satisfazem 2 b) e c) não são substâncias puras. a), b) e c) por hipótese satisfazem 3. Só a) é substância pura Clito Afonso
TERMODINÂMICA Substância simples: é aquela que manifesta somente um tipo de fenómenos: ou mecânicos, ou eléctricos, ou magnéticos, etc. Substância compressível: é aquela que manifesta somente fenómenos de compressibilidade, sendo desprezáveis os efeitos dos restantes fenómenos. Assim, apresentam um único tipo de trabalho: ( − ∫ pdv ) P: Para uma substância PSC qual o nº de propriedades necessárias para a definição completa do seu estado termodinâmico? Clito Afonso
TERMODINÂMICA R: O número de propriedades termodinâmicas de um sistema que podem variar de forma independente é igual ao nº de tipos de trabalho reversíveis mais importante, mais um (postulado de estado), i.e.: z = z(x,y)
Equação de estado São equações eminentemente empíricas. À excepção da dos gases perfeitos não existe uma única que só por si consiga especificar todos os estados termodinâmicos possíveis de uma dada substância. Representação gráfica ou tabelar. Clito Afonso
TERMODINÂMICA Comportamento de uma SPSC Fase: qualquer aspecto físico homogéneo de uma substância.
Clito Afonso