Termodinâmica

EM 313 - TERMODINÂMICA

GRADUAÇÃO

Texto: Prof. Dr. José Tomaz Vieira Pereira

Palavras Iniciais

Neste curso é apresentada uma abordagem da termodinâmica, sob o ponto de vista da Engenharia Mecânica, e os exemplos de aplicação procurarão abordar problemas usualmente encontrados pelos Engenheiros Mecânicos no exercício de seu trabalho.

No desenvolvimento do curso são abordados os tópicos que constam da ementa.

Vale enfatizar que a Termodinâmica Clássica, em sua conceituação macroscópica, é uma ciência que procura apresentar os fatos de forma lógica e muitas vezes intuitiva. Pelo fato de muitas coisas parecerem óbvias quando demonstradas por outros, ficamos com a impressão que tudo é muito fácil e que saberemos também fazer as demonstrações com a mesma facilidade. Isso tem trazido para muitos uma surpresa bastante desagradável na hora de verificar os conhecimentos assimilados.

SUGESTÃO: ESTUDE E FAÇA OS EXERCÍCIOS.

SÓ ASSISTIR AS AULAS NÃO BASTA.

CAPÍTULO 1

1. CONCEITOS E DEFINIÇÕES INICIAIS

TERMODINÂMICA

do Grego THEME - CALOR ramo da Física e da Engenharia

DYNAMIS - FORÇA

Embora vários aspectos pelos quais a Termodinâmica é conhecida vem desde a Antigüidade, seu estudo formal começou no século XIX, motivado pela utilização do CALOR como força motriz.

Atualmente: espectro bastante abrangente, como ciência da ENERGIA e das relações entre as PROPRIEDADES da matéria.

Na Física - interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer relações entre as propriedades da matéria.

Na Engenharia - interesse em estudar sistemas e suas relações com a vizinhança.

A relação seguinte mostra algumas áreas de aplicação da Termodinâmica na Engenharia.

Motores de automóveis

Turbinas

Bombas e Compressores

Usinas Térmicas (nucleares, combustíveis fósseis, biomassa ou qualquer outra fonte térmica)

Sistemas de propulsão para aviões e foguetes

Sistemas de combustão

Sistemas criogênicos, separação de gases e liquefação

Aquecimento, ventilação e ar condicionado

Refrigeração (por compressão de vapor , absorção ou adsorção)

Bombas de calor

Sistemas energéticos alternativos

Células de combustível

Dispositivos termoeléctricos e termoiônicos

Conversores magnetohidrodinâmicos (MHD)

Sistemas de aproveitamento da energia Solar para aquecimento, refrigeração e produção de energia elétrica

Sistemas Geotérmicos

Aproveitamento da energia dos oceanos (térmica, das ondas, e das marés)

Aproveitamento da energia dos ventos (energia eólica)

Aplicações biomédicas:

Sistemas de suporte à vida

Órgãos artificiais

1.1. SISTEMAS TERMODINÂMICOS

Um importante passo em toda análise em engenharia é a identificação precisa do objeto a ser estudado. Em mecânica, quando o movimento de um corpo precisa ser determinado, normalmente o primeiro passo é a definição de um CORPO LIVRE e depois a identificação de todas as forças externas exercidas sobre ele por outros corpos. A segunda lei do movimento de Newton é então aplicada.

Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da análise.

Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa.

Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação através da qual a matéria flui.

A composição da matéria dentro do sistema pode mudar (reações químicas ou nucleares).

Vizinhança - Tudo o que é externo ao sistema.

Fronteira - superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua

fronteira.

Pode estar em movimento ou repouso.

Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer análise termodinâmica.

Sua definição é arbitrária e dever ser feita pela conveniência da análise a ser feita.

1.1.1. TIPOS DE SISTEMAS

Sistema fechado e Volume de controle.

Sistema Fechado - quantidade fixa de matéria. Massa não entra, nem sai.

Volume de Controle - região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa.

Exemplos do Livro-texto:

Figura 1.1 Gás num conjunto pistão-cilindro.

Figura 1.2 Motor de automóvel.

Obs. Alguns autores utilizam denominações diferentes:

SISTEMA FECHADO = SISTEMA = MASSA DE CONTROLE

VOLUME DE CONTROLE = SISTEMA ABERTO

FRONTEIRA = SUPERFÍCIE DE CONTROLE

1.1.2. PONTOS