Os Conceitos Termodinâmica

Guia para estudos dirigidos - Termodinâmica - N.º 1

Unidade 01 - Introdução

Grupo

4 - 20/02/2004

Alunos: Bárbara Homrich, Leandro Silveira, João Carlos e João Leonardo
Seção 1.1 - O que é termodinâmica ?
Termodinâmica é a ciência que estuda as relações entre as grandezas de calor, energia e trabalho. No ramo da Engenharia Mecânica podemos citar alguns exemplos de aplicação, como motores de combustão interna, sistemas térmicos, caldeiras, energia solar, dentre outros. A termodinâmica clássica tem outra aplicabilidade, como na Medicina, Astronomia, Biologia, Geografia ou qualquer outra atividade que envolva variação de energia.
Seção 1.2 - Sistema e Volume de Controle
Podemos chamar de sistema a uma quantidade definida de matéria, de volume definido e que não ocorre fluxo de massa ali. Na definição da Física Clássica, tudo que é externo ao sistema significa ambiente ou vizinhança de um sistema. O sistema pode realizar “trocas”, como calor e trabalho, com a sua vizinhança.
Assim, podemos considerar que:
Sistema: um bem delimitado que tenha um volume definido e que não ocorre fluxo de massa para a superfície;
Volume de Controle: quando se tem uma substância de determinado volume que flua como o meio ou superfície.
Seção 1.3 - Variáveis de Estado
Definição do “estado” de um sistema: como ele se encontra. A variável de estado serve para descrever o estado de um sistema, como temperatura, massa e pressão.
Variáveis extensivas: são variáveis de dimensão - ex.: comprimento;
Variáveis intensivas: são variáveis que não dependem do sistema - ex.: temperatura;
Propriedades extensivas: Velocidade e aceleração;
Propriedades intensivas: Temperatura e pressão.
Sistemas homogêneos são sistemas puros, que não apresentam misturas. O conceito de homogeneidade se relaciona com as variáveis intensivas.
É mais simples trabalhar com sistema homogêneo pois no sistema heterogêneo envolve-se uma série de estudos de cada partícula.
Segundo o livro-texto “Fundamentos da Termodinâmica Clássica - Van Wylen, Sonntag & Borgnakke - 4ª ed.”, a convenção adotada para variáveis extensivas e intensivas é:
“Uma propriedade intensiva é independente da massa e o valor de uma propriedade extensiva varia diretamente com a massa...A massa e o volume total são exemplos de propriedades extensivas. As propriedades extensivas por unidade de massa, tais como o volume específico, são propriedades intensivas” - pág. 16.
A termodinâmica lida com grandezas importantes mas não são variáveis de estado, como calor e trabalho - são propriedades que ocorrem na troca, que alteram o estado do sistema mas não são características do sistema.
Seção 1.4 - A abordagem da Termodinâmica Clássica
“I.) Nunca aceitar coisa alguma como verdadeira sem que a conhecesse verdadeiramente como tal;
II.) Dividir cada uma das dificuldades que examinasse em tantas parcelas quantas fosse necessário para melhor resolvê-las;
II.) Conduzir por ordem meus pensamentos, começando pelos objetos mais simples e mais fáceis de conhecer, para subir pouco a pouco, como por degraus;
IV.) Fazer em tudo enumerações tão completas, e revisões tão gerais, que eu tivesse a certeza de nada omitir.”
(Fundamentos do Método Científico Clássico por Descartes, René. Discurso do Método. São Paulo, Ed. Martins Fontes, 1999)
As variáveis de estado importantes para descrever o movimento de um corpo, em um dado instante são: velocidade e aceleração.
Considerando o segundo “pilar” proposto por Descartes, seria completamente inviável descrever completamente um sistema, considerando cada uma de suas moléculas constituintes, com 1010 moléculas (em estado gasoso). Teríamos, no mínimo, 1010 variáveis que ainda assim provavelmente não seriam suficientes para descrever o problema. Como alternativa, poderíamos trabalhar com estatística ou com as propriedades do todo. A termodinâmica clássica lida com o “todo” - conseqüência da opção adotada. Existem várias áreas em que se aplica o raciocínio típico da termodinâmica como Geografia, Biologia, Medicina, Astronomia, etc.
Seção 1.5 - Unidades e Conceito de Mol
        As unidades de medida fundamentais do Sistema Internacional são: Massa, Comprimento e Tempo. A unidade de Força é Newton [N].
Pode-se definir Mol como a quantidade de substância que contém tantas partículas quanto existem átomos em 0,012Kg de Carbono-12.
Em um grama-mol de uma substância pura existem 6,02x1023 moléculas. A substância pura é aquela que tem composição química invariável e homogênea. A unidade usada para molécula-grama é o Mol e em um quilo-mol existem 6,02x1026 moléculas.
Seção 1.6 - Valor Específico de uma variável de estado
        O valor específico de uma variável de estado de um sistema seria uma variável por unidade de massa. Este conceito se aplica a variáveis extensivas. O valor específico de uma variável, por sua vez, é variável extensiva. O valor específico médio de uma variável de estado, num sistema heterogêneo seria um valor médio necessário pois o valor variaria ponto a ponto. Valor específico médio num elemento infinitesimal de massa do sistema significa o valor específico real naquele ponto.
A relação existente entre o volume específico médio e a densidade é uma inverso da outra -   ( = m/v e d = v/m
O valor específico molar é o volume de cada mol em uma porção.
Seção 1.7 - Pressão
Pressão é a força exercida sobre uma determinada área (P = F/A). No exemplo dado, a pressão exercida pelo gás sobre as outras paredes é a mesma em todas as direções. No elemento infinitesimal de volume, a pressão em todos os sentidos são iguais.
As unidades mais usuais para pressão são: N/m2 = Pa.
Pressão absoluta é igual a pressão atmosférica + a variação da pressão.
A diferença entre pressão absoluta e a atmosférica é chamada pressão manométrica ou efetiva.

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