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TRADUÇÃO DA 4º EDIÇÃO AMERICANA GORDON VAN WYLEN D SONNTAG CLAUS BORGNAKKE título original FUNDAMENTALS OF CLASSICAL THERMODYNAMICS A sexta edição em língua inglesa foi publicada por JOHN WILEY & SONS, INC. copyright & 1994 by John Wiley & Sons, Inc. direitos reservados para a língua portuguesa pela Editora Edgard Bliicher Ltda. 1595 &º reimpressão — 2009 É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem autorização escrita da editora. EDITORA EDGARD BLUCHER LTDA. Rua Pedroso Alvarenga, 1245 — 4º andar 04531-012 - São Paulo, SP — Brasil Tel.: (55,11) 3078-5366 e-mail: editora? bhucher.com.br Site: www-blucher.com.br impresso no Brasil Printed in Brasil ISBN 978-85-212-0195-9 FICHA CATALOGRÁFICA Van Wylen, Gordon John Fundamentos da termodinâmica clássica/Gordon John Van Wylen, Richard E. Sonntag, Claus Borgnakke; tradução da quarta edição americana: Euryale de Jesus Zerbini, Ricardo Santill Ekman Simões. - - São Paulo; Editora Blucher, 1995. Título original: Fundamentals of classical termodynamics Bibliografia. ISBN 978-85-212-D135-9 1. Engenhana mecânica 2. Entropia 3. Termodinâmica 1. Sonntag, Richard E. Il. Borgnakke, Claus. IL Título. Do-B354 CDD-535.7 Índices para catálogo sistemático: 1. Termodinâmica: Física 536.7 PREFÁCIO Nós mantivemos nesta quarta edição o objetivo básico das três anteriores: apresentar um tratamento completo e rigoroso da termodinâmica clássica, mantendo ao mesmo tempo uma perspectiva de engenharia e, assim o fazendo, formar a base para estudos subsequentes em campos como o da mecânica dos fluidos, da transferência de calor e da termodinâmica estatística; e preparar o estudante para a utilização eficiente da termodinâmica na prática da engenharia. A apresentação foi deliberadamente dirigida aos estudantes. Os novos conceitos e definições são introduzidos à medida que se tomam relevantes no contexto. As primeiras propriedades termodinâmicas a serem definidas (Cap. 2) são aquelas que podem ser prontamente medidas: pressão, volume específico e temperatura. No Cap. 3 são introduzidas as tabelas de propriedades termodinâmicas, mas apenas no que diz respeito âquelas mensuráveis. A energia interna e a entalpia são introduzidas em conjunto com a primeira lei, à entropia com a segunda lei e as funções de Helmholtz e Gibbs no capítulo sobre irreversibilidade e disponibilidade. Foram incluídos muitos exemplos no livro, a fim de auxiliar o estudante na compreensão da termodinâmica, e os problemas localizados no fim de cada capítulo foram cuidadosamente ordenados de modo a correlacioná-los com os assuntos tratados e distribuídos numa ordem crescente de dificuldade. Tentamos cobrir da maneira mais completa possível a matéria básica da termodinâmica clássica. Acreditamos que o livro proporciona uma preparação adequada para o estudo da aplicação da termodinâmica aos vários campos profissionais e também para o estudo de tópicos mais avançados, tais como aqueles relacionados a materiais, fenômenos superficiais, plasmas e criogenia. Reconhecemos que várias escolas oferecem um único curso de introdução à termodinâmica para todos os departamentos. Por este motivo tentamos cobrir aqueles tópicos que os vários departamentos desejariam que estivessem incluídos em tal curso, Entretanto, como os cursos específicos variam consideravelmente em função dos pré-requisitos solicitados, objetivos, duração e qualificação dos estudantes, distribuímos a matéria, particularmente nos últimos capítulos, de modo que haja uma considerável flexibilidade na quantidade de matéria a ser coberta. As principais alterações, filosóficas e de métodos, contidas nesta edição são: um tratamento diferenciado das questões ambientais, tanto no texto como nos problemas propostos, e o reconhecimento do aumento contínuo da utilização de computadores no estudo e solução de problemas que envolvem a termodinâmica. O reflexo deste aumento é o fornecimento de um programa executável que gera as informações contidas nas Tabelas A.] a A.7, A.12, A.13 e A.15 do Apêndice e também das subrotinas, escritas em FORTRAN e componentes do programa fornecido, que podem ser utilizadas na composição de programas específicos. Isto proporciona um aumento de flexibilidade no estudo de muitos problemas termodinâmicos e para a resolução de problemas abertos, cuja inclusão, nesta edição, é outra alteração importante em relação às edições anteriores. Outras mudanças significativas são: a reorganização e expansão do Cap. 9, novo desenvolvimento do material sobre disponibilidade termodinâmica no Cap. 8, a inclusão das correlações generalizadas com três parâmetros no Cap. 10 e o fornecimento de um programa para a determinação do equilibrio químico em problemas complexos no Cap. 13, Aumentou-se, também, a ênfase na análise de processos, com a introdução do potencial para a produção de potência em máquinas térmicas reversíveis no Cap. 6 € dos problemas de projeto distribuidos ao longo do texto. Adicionalmente, atualizamos o texto, revisamos € incluímos definições e dados termodinâmicos, alguns destes obtidos na última edição de nosso livro " Introduction to Thermodynamies, Classical and Statistical ". Por exemplo: a nova escala de temperatura ITS-90 está descrita no Cap.2. uma introdução conceitual às tabelas termodinâmicas está incluida no Cap.3 e novas tabelas de propriedades para gases ideais e para O ar, consistente com a versão mais recente das tabelas JANAF, foram introduzidas no Cap. 5. Incluiu-se, também, no Cap. 6 uma nova análise das escalas de temperatura e mostra-se a correlação entre a escala termodinâmica e a de gás perfeito. Todos os valores das propriedades contidas no Apêndice PREFÁCIO vil superficie de controle (1 é usado quando este fluxo é expresso em moles por unidade de tempo). A taxa de transferência de calor, através de uma superficie de controle, é designada Q,. . Temos consciência de que fugimos do uso matemático comum desta notação. que normalmente se refere à derivada em relação ao tempo. No entanto, usamo-la apenas para indicar o fluxo de calor e trabalho através de uma fronteira de sistema e dos fluxos de calor, trabalho e massa, através de uma superficie de controle. Acreditamos que isso contribui para um uso simples e consistente da notação neste livro. Agradecemos muito as sugestões, conselhos e apoio de muitos colegas, tanto da Universidade de Michigan como de outros lugares. Essa assistência nos foi bastante útil durante a preparação desta edição e também das edições anteriores do nosso livro. Várias secretárias nos auxiliaram de modo incomparável, pelo que muito agradecemos. Estudantes de graduação e de pós-graduação prestaram especial auxílio; as suas questões inteligentes frequentemente nos levaram a reescrever ou a repensar uma dada parte do texto, ou a tentar desenvolver um modo melhor de apresentar a matéria e prever tais questões ou dificuldades. Precisamos destacar o agradecimento aos Drs. Young Moo Park e Kyoung Kuhn Park, ex-alunos de pós-graduação na Universidade de Michingan, que nos ajudaram neste projeto, especialmente no desenvolvimento dos programas de computador. Finalmente, para cada um de nós, o encorajamento e a paciência de nossas esposas e famílias foram indispensáveis e fizeram com que o periodo em que escrevemos o livro fosse agradável, a despeito das pressões do projeto. Esperamos que este livro venha a colaborar no ensino efetivo da termodinâmica para estudantes, que terão pela frente desafios e oportunidades significativas no decorrer de suas carreiras profissionais. Os comentários, criticas e sugestões dos leitores serão muito apreciados. Gordon J. Van Wylen Richard E. Sonntag Claus Borgnakke Ann Arbor, Michigan Julho de 1993 eo ota of td ba ima ima pm ERR ES CONTEÚDO Eta E SAS cocos x Alguns comentários preliminares ............... ce eeseceentemeeeaerereeaseaeeereaereaasea | Alguns conceitos e definições ............c seems carece TA Propriedades de uma substância pura.............sneseeeeseerarrcen ID Trabalho e:calor saias DIGA e Dani TT OD Primeira lei da termodinâmica .......... series resetar cerriacarerestarese TD Segunda lei da termodinâmica .......... seen ererenieeo 137 Entropia ........sss cc eras semaemenceçe TOO Irreversibilidade e disponibilidade Ciclos motores e de refrigeração .......... semeia ereta Relações termodinâmicas ........... Misturas é soluções ........smee REBÇÕES QUÍMICAS socsaserias esse apo son sspiba soa dad cen ion ca ENC e NI LaS VC R par s ae ieucaj Introdução ao equilíbrio de fases e químico........... Escoamento através de bocais e passagens entre pás . Apêndice: figuras, tabelas e diagramas Referências selecionadas... Respostas a problemas selecionadas ............... eeeeesesseceesceeseceseeeeeesescerenio 582 Índice... rereeeeereeeerereameetereeereeemeemeenes tester raceeeareeme ms mesarerreerrerreeo SB6 LISTA DE SÍMBOLOS xi Ow, O, transferência de calor num corpo a alta temperatura e num corpo à baixa temperatura; o sinal é determinado no contexto R constante do gás R constante universal dos gases s,$ entropia específica e entropia total Secr geração de entropia Su taxa de geração de entropia (entropia gerada por unidade de tempo) t tempo T temperatura u U energia interna específica e energia interma total v.F volume específico e total vw volume específico relativo, usado nas tabelas de gás vf fração em volume v velocidade V. velocidade relativa w W trabalho por unidade de massa e trabalho total W potência (trabalho por unidade de tempo) Wres trabalho reversível entre dois estados, admitindo troca de calor com o meio título fração molar da fase liquida ou da fase sólida fração molar da fase vapor cota fator de compressibilidade carga elétrica yo bg mo» LETRAS MANUSCRITAS 4 área Tai número de componentes E potencial elétrico “ intensidade do campo magnético m magnetização p número de fases 4 tensão superficial o) tensão uv variância LETRAS GREGAS x volume residual Lp expansividade volumétrica ) coeficiente de desempenho de um refrigerador = rm Estes gn 
