Baixe Definição de energia e a termodinâmica e outras Esquemas em PDF para Termodinâmica, somente na Docsity!
ISECENSA – Institutos Superiores de Ensino do CENSA Disciplina: Termodinâmica I Professor: André Machado Aula 01 – Conceitos Fundamentais
- Conceitos Iniciais
1.1. A definição de energia e a termodinâmica
A engenharia é uma profissão que aplica a ciência, de forma objetiva, na solução de problemas e na elaboração de produtos e processos que tragam benefícios para a humanidade. Esta é uma definição importante para todos os estudantes e aspirantes a engenheiros, tendo em vista que ela demonstra a grande importância de compreender os conceitos e princípios científicos que servem de ferramentas para o exercício desta profissão.
A termodinâmica, como uma destas ferramentas científicas, merece uma atenção especial, certo? Mas afinal: o que é termodinâmica? Antes de buscar as informações que respondam a essa pergunta, iremos definir um conceito básico e muito importante para nós: o de energia.
A energia é um conceito fundamental da física, cujo nome vem do termo grego para “trabalho”. De forma simplificada, ela representa uma forma de interação entre uma ou mais partículas. Como exemplos, podemos citar um deslocamento provocado por uma interação entre dois corpos, ou então a nossa mão sendo aquecida pelo contato com uma superfície quente. Nestes dois casos houve a interação entre dois corpos que resultou em uma transferência de uma determinada quantidade de energia.
Como existem muitas formas de interação entre partículas, consequentemente há muitas formas pelas quais a energia pode ser transferida. Por este motivo, o estudo dela é dividido em diversas categorias: elétrica, química, térmica, cinética, dentre outras. A Figura 1 representa algumas das principais formas de energia conhecidas:
Figura 1.1: Alguns dos principais tipos de energia existentes
Energia
Mecânica
Potencial
Elétrica
Gravitacional
Química
Cinética
Calor Trabalho
Olhando o esquema acima, vem uma pergunta: afinal, como funciona esse negócio de energia? Como ela é produzida? Um dia ela irá acabar?
É aí que a mágica acontece, meu caro! O princípio da conservação da energia , que será estudado em muitos detalhes neste curso, afirma que a energia nunca é perdida – ela sempre se transforma. Em outras palavras: os diferentes tipos de energia existentes podem ser convertidos um no outro – e foi a partir dessa percepção que o homem, desde os tempos mais antigos, começou a se aproveitar desta propriedade. Exemplos não faltam:
- A conversão de energia química do alimento em energia mecânica para o nosso corpo
- A utilização de arco-e-flecha na antiguidade
- A descoberta do fogo para o aquecimento
- Um objeto caindo de uma montanha - sua velocidade aumenta porque a energia potencial gravitacional é transformada em energia cinética
- O desenvolvimento de máquinas a vapor (opa!)
Enfim, a partir destes conceitos iniciais sobre energia, é possível definir, finalmente, o conceito de termodinâmica. Como o próprio nome diz, ela se refere a “termo” = relacionado ao calor, e “dinâmica” = relacionada ao movimento. Os estudos da termodinâmica se iniciaram com a invenção da máquina a vapor, que nada mais é do que um dispositivo que transforma energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). Portanto, a termodinâmica estuda a transformação de calor em trabalho e vice-versa. Este nome foi criado já em meados do século XVIII, por Lord Kelvin.
Nos dias de hoje, o conceito de termodinâmica foi ampliado para englobar outros aspectos – e não somente a transformação entre calor e trabalho. Ela passou a explicar diversos outros fenômenos, podendo ser utilizada como ferramenta em áreas como a geração de energia elétrica, a criogenia e refrigeração, processos de separação, aquecimento, etc. Além disso, foi criado outro “ramo” para explicar alguns fenômenos. Sabemos que a matéria é formada por moléculas, partículas muito pequenas que se comportam de acordo com o ambiente em que se encontram. Como cada partícula interage com as demais de uma forma particular, o estudo destas interações deveria levar em conta cada uma das moléculas. Alguns processos e fenômenos somente podem ser explicados através deste tipo de análise (microscópica). Para isto, foi criada a Termodinâmica estatística. No entanto, durante muito tempo, a termodinâmica foi utilizada macroscopicamente. Em muitos casos é possível quantificar a pressão, temperatura e realizar cálculos e projetos de equipamentos como um todo, sem necessitar de analisar cada molécula. Este tipo de análise macroscópica é abordado na Termodinâmica clássica.
Um sistema pode possuir volume fixo ou variável, dependendo das condições. Note que, mesmo o sistema sendo fechado (massa fixa), o volume pode ser variável. Observe o exemplo do conjunto cilindro-pistão da Figura 3:
Figura 1.3: Sistema fechado com volume variável
Se considerarmos o sistema como sendo o gás contido no cilindro, tem-se que se trata de um sistema fechado, uma vez que a massa não cruza as fronteiras do sistema. Porém, a existência do pistão móvel permite que o volume ocupado pelo gás seja variável. Caso não houvesse o pistão móvel, o volume do sistema seria fixo:
Figura 1.4: Sistema fechado com volume fixo
Já para um sistema aberto , tem-se que o volume geralmente é fixo. Em geral, um sistema aberto será uma região escolhida do universo, por onde a massa pode fluir. Por ser uma região fixada e o seu volume fixo, os sistemas abertos são muitas vezes denominados volumes de controle. A superfície que separa um volume de controle das suas vizinhanças (sua fronteira) é denominada superfície de controle. Exemplos de sistemas abertos comumente analisados na termodinâmica são: turbinas, compressores, bocais e outros equipamentos de processo.
Obs: observe que um sistema aberto pode, sim, possuir volume variável em determinadas condições. Por exemplo, se o sistema cilindro-pistão da Figura 3 tivesse uma entrada de gás.
Em geral, um volume de controle é qualquer região arbitrada no espaço. Desta forma, temos liberdade para escolher qual será o volume de controle a ser analisado de acordo com o problema. Mas tenha atenção: é de grande importância escolher o volume de controle adequado para a situação, para que o problema se torne mais fácil. Por exemplo, no caso do conjunto cilindro-pistão, é “mais fácil” trabalhar com o gás sendo o sistema e todo o resto como vizinhança, do que ter que analisar gás + paredes do cilindro + pistão ao mesmo tempo. Observe na Figura 5 um esquema de sistema aberto.
Figura 1.5: Sistema Aberto
1.3. Propriedades Termodinâmicas
Tudo o que está dentro do sistema escolhido pode ser caracterizado através de suas propriedades. Para a engenharia, elas são as grandezas que podem ser traduzidas em números, e determinadas através de medições e / ou de cálculos. As propriedades podem ser classificadas em dois tipos principais:
I. Propriedades Extensivas: dependem do tamanho do sistema, isto é, do seu volume. Exemplos: massa total do sistema, energia contida no sistema, entropia, dentre outras.
II. Propriedades Intensivas: não dependem do tamanho do sistema. Como exemplo, podem ser citadas a massa específica (densidade), a energia específica (energia por unidade de massa ou de volume), temperatura, pressão, etc.
Para ilustrar melhor o que é uma propriedade extensiva e uma intensiva, considere dividir o sistema em duas partes iguais, cada uma com metade do tamanho original. Neste caso, as propriedades intensivas irão ter o seu valor idêntico ao original, enquanto que as propriedades extensivas terão o seu valor reduzido à metade.
Na termodinâmica, as principais propriedades que serão estudadas são:
Temperatura (T): é definida como uma média estatística do grau de agitação (energia cinética) das moléculas e / ou partículas de um sistema em equilíbrio térmico. Qualitativamente, é o que define se o sistema está “frio” ou “quente”. Trata-se de uma propriedade intensiva.
Pressão (P): é uma propriedade intensiva e, formalmente, é definida como a razão entre uma força perpendicular a uma área e o valor da área onde aquela força atua. Em geral, a pressão é utilizada para quantificar forças e trabalho exercidos sobre / por um gás ou líquido. Na prática, aqui na termodinâmica a força responsável pelo trabalho a ser calculado será sempre dada na forma de pressão.
Obs: a pressão também é denominada “tensão normal”, pois é uma tensão (força sobre área) e ocorre na direção normal à superfície.
Massa (m) ou número de mols (n): é a quantidade de matéria presente, seja em um sistema ou em parte deste. Pode ser dada como massa total (extensiva) ou como massa específica (intensiva, também conhecida como densidade ρ). A massa total é toda a matéria contida num
Volume de Controle
Vizinhanças
massa
massa
alteração em suas propriedades. Nesta situação, é possível medir sua temperatura, sua pressão e também determinar todas as outras propriedades intensivas. Caso o sistema sofra alteração em alguma das suas propriedades, as outras também poderão sofrer alterações e, assim, será atingido um novo estado. Na Figura 6, está apresentado um determinado sistema em dois estados diferentes.
Figura 1.6: Um mesmo sistema em dois estados diferentes.
Observe que, em ambos os estados, a massa contida no sistema e a temperatura são idênticos. Porém, como o volume é diferente, a massa específica de ambos também é diferente e, portanto os estados são distintos.
Obs: uma vez que as propriedades intensivas variam com o estado termodinâmico, elas também podem ser definidas como funções de estado. Isto significa que cada estado possui um conjunto único de propriedades termodinâmicas, que serão funções daquele estado.
O estado termodinâmico, conforme será visto nas próximas seções, é responsável por diversos fenômenos da natureza, como, por exemplo, a fase do sistema – sólido, líquido ou gás. Por exemplo, todos nós sabemos que a água entra em ebulição a 100 oC. Isto nos diz o seguinte: que a água no estado de 101 oC e pressão atmosférica estará em fase gás. Ao definir o estado do sistema, definimos também as suas condições, como a fase ou uma mistura delas. Isto será visto com mais detalhes posteriormente, e, portanto, esta discussão será somente superficial por enquanto.
O Equilíbrio Termodinâmico ocorre quando não há forças motrizes no interior do sistema, ou seja, ele se encontra perfeitamente balanceado e não há potenciais de alteração em seu interior. Mas o que isto significa? Iremos explicar este conceito através de um exemplo bem simples e que todos conhecem: um objeto colocado dentro de uma geladeira. Vamos lá:
Os refrigeradores modernos possuem um termostato , isto é, um controlador de temperatura que irá ligar e desligar o sistema de acordo com a temperatura desejada. Suponha que a geladeira está programada para a temperatura de 0 oC e um objeto a 25 oC é posicionado em seu interior. Sabemos que, nestas condições, o objeto irá “esfriar” até atingir a temperatura programada na geladeira, uma vez que esta estará removendo energia do seu interior para atingir a temperatura desejada. Quando o objeto finalmente atinge a temperatura igual à do interior da geladeira, ele estará em equilíbrio térmico com esta.
Neste caso, há uma força motriz que leva à troca de energia, a fim de que o equilíbrio térmico seja atingido. É o mesmo que acontece se deixarmos um copo com água gelada em contato
Estado 1 Estado 2
m 1 = 10 kg T 1 = 300 oC V 1 = 1 m^3
m 2 = 10 kg T 2 = 300 oC V 2 = 0,7 m^3
com o ambiente: ele irá trocar energia, pois a diferença de temperatura leva a um desequilíbrio termodinâmico que será “solucionado” através da troca térmica.
Desta forma, tem-se uma conclusão importante: na natureza, tudo tende a atingir o equilíbrio! Se um sistema em determinadas condições não estiver em equilíbrio termodinâmico com as suas vizinhanças, ele passará por um processo no qual a energia (e, talvez, massa) serão trocados a fim de que o equilíbrio seja atingido. Ao atingir este equilíbrio, por fim, não haverá mais troca térmica e nem de massa.
Quando se fala em “equilíbrio termodinâmico”, devem ser levados em conta todos os tipos de equilíbrio que devem ser estabelecidos, sendo os principais listados a seguir:
I. Equilíbrio térmico: trata-se do equilíbrio entre as temperaturas, para que não haja a força motriz para a transferência de calor. II. Equilíbrio mecânico: trata-se do equilíbrio de forças, para que não haja a força motriz para o movimento. Em geral, será dado como equilíbrio de pressão. III. Equilíbrio químico: é o equilíbrio na composição de substâncias do sistema para que não haja reação química. Na situação de equilíbrio químico, as composições não mudam com o tempo. IV. Equilíbrio de fases: neste caso, são tratadas as fases do sistema. Em determinadas situações, pode haver mais de uma fase, de forma que a quantidade de matéria em cada fase é determinada pelo equilíbrio de fases.
Quando todas as situações de equilíbrio são estabelecidas, o sistema não terá mais nenhuma força motriz, de forma que não irá mais trocar energia e / ou massa com as vizinhanças. Com base em todos estes conceitos, pode-se definir a Termodinâmica como sendo a ciência que estuda os estados de equilíbrio : na prática, a termodinâmica determina os estados em equilíbrio e o que deve ser feito para atingir cada um deles. Portanto, a termodinâmica estuda os processos que ocorrem na natureza com base no “antes” e no “depois”: ela não considera o “durante”, tarefa que será trabalhada na disciplina de transferência de calor.
- Calor e Trabalho
2.1. As formas de Energia
A gente viu, no Capítulo 1, a definição de diversos conceitos importantes para o estudo da termodinâmica. Dentre eles, estava o conceito de energia. Vimos que a energia é uma grandeza física capaz de quantificar e expressar as diferentes interações entre dois ou mais corpos.
Esse conceito de energia permite que a gente explique vários fenômenos físicos, todos eles baseados na conversão entre os diferentes tipos de energia. Quer ver só?
III) Reações Químicas
Em todas as situações citadas acima, houve mudança na energia potencial (mudança de fase e reação química) ou na energia cinética (mudança de temperatura). Portanto, a energia interna pode ser medida indiretamente através destes parâmetros.
Energia cinética: é aquela associada ao movimento do sistema com relação a um referencial. A energia cinética é calculada por:
𝑣^2
Onde: Ec é a energia cinética total do sistema, m é a massa do sistema e v é a velocidade do sistema.
Energia Potencial : está relacionada à posição de um sistema em um campo gravitacional. É calculada por:
𝐸𝑝 = 𝑚𝑔𝑧
Onde: Ep é a energia potencial total do sistema, m é a massa do sistema, g é a aceleração da gravidade e z é a posição (ou altura) do sistema.
Obs: a unidade de energia no SI é o Joule (J). Outras unidades comuns são: BTU, cal.
2.2. Calor e Mecanismos de Transferência de Calor
O calor é uma das formas através das quais a energia pode cruzar as fronteiras de um sistema. Na termodinâmica, estudaremos calor, trabalho, e a energia contida na massa que cruza as fronteiras do sistema como formas de transferência de energia.
A definição formal de calor é: “a energia transferida entre dois ou mais corpos (ou partículas) devido a um gradiente (diferença) de temperaturas. Isto significa que, para que exista transferência de energia térmica na forma de calor, é necessário que haja uma diferença de temperaturas.
Por exemplo, uma latinha de refrigerante gelada colocada em uma mesa à temperatura ambiente irá trocar calor com a mesa e com o ambiente até que, eventualmente, atinja uma temperatura de equilíbrio igual à da mesa e do ambiente. É por isto que a latinha “esquenta” quando sai da geladeira. Inclusive a nossa própria noção de ‘quente’ e ‘frio’ vem destas transferências de energia que ocorrem no nosso corpo!
Uma vez que o calor está relacionado à transferência de energia, ele não pode ser medido como um conteúdo (a quantidade de calor contida em um sistema, por exemplo), e sim quando atravessa as fronteiras. Ele só pode ser percebido quando há transferência
Um sistema (ou processo) no qual não haja transferência de calor é denominado adiabático. Um processo adiabático pode ocorrer principalmente em duas situações: 1) o sistema é bem fechado e isolado termicamente; 2) as temperaturas do sistema e das vizinhanças são iguais.
Existem três mecanismos principais de transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação. Estes mecanismos são estudados com detalhe nas disciplinas de transferência de calor. A grande diferença entre as disciplinas se dá no fato de que, enquanto a termodinâmica estuda o equilíbrio (o antes e o depois), a transferência de calor estuda o caminho (o “durante”).
Como se trata de uma forma de energia (ainda que em transferência), a unidade do calor também é o J. Frequentemente ele é expresso como uma taxa (quantidade de calor em um período de tempo), na forma de J/s (Watt, ou W). A representação do calor nas equações ocorre através da letra Q.
Obs: a transferência de calor sempre ocorre da temperatura mais alta para a temperatura mais baixa.
2.3. Trabalho e formas de trabalho
O trabalho, assim como o calor, é uma forma de transferência de energia. É uma das formas através das quais a energia pode cruzar as fronteiras de um sistema. O trabalho está geralmente associado a algo útil que pode ser extraído do sistema. Por exemplo, pode ser um trabalho mecânico (compressão, expansão, um eixo rotatório), trabalho elétrico, trabalho magnético, etc.
O conceito principal de trabalho é definido da seguinte forma: “trabalho é o produto resultante da ação de uma força ao longo de uma distância”.
Logo, o trabalho está associado a qualquer situação onde um ou mais corpos se deslocam através de uma distância. Sendo assim, é fácil reconhecer o trabalho em situações reais: ao levantar um braço, mover um objeto, escoar um fluido, estamos realizando trabalho.
A unidade de trabalho, sendo uma forma de energia é o Joule (J). O trabalho, nas equações e textos, é comumente representado pela letra W.
Obs: não confundir o membro W (trabalho) das equações com a unidade de potência W (watt)!!!
Trabalho elétrico: o trabalho elétrico ocorrerá quando cargas elétricas se moverem ao longo de uma distância onde houver a ação de um campo elétrico. Neste caso, a força será a força elétrica. O trabalho elétrico é constantemente calculado através da potência elétrica: 𝑊𝑒𝑙 = 𝑉𝐼
Onde V é a diferença de potencial elétrico (em Volts, V) e I é a corrente elétrica em ampères (A). Sendo a potência elétrica uma quantidade de energia dividida por um período de tempo, é só multiplicar pela quantidade de tempo para, então, encontrar o total de trabalho elétrico.
I. Calor entra no sistema: Q > 0 (positivo) II. Calor sai do sistema: Q < 0 (negativo) III. Trabalho realizado pelo sistema: W > 0 (positivo) IV. Trabalho realizado sobre o sistema: W < 0 (negativo)
Obs: é muito mais importante compreender os sinais do que simplesmente ‘decorar’ a convenção. Desta forma, o engenheiro será capaz de solucionar problemas mesmo quando a convenção não for a habitual.
2.5. Processos Termodinâmicos: funções de estado
A gente viu anteriormente que, na termodinâmica, algumas propriedades dependem somente do estado do sistema. Estas grandezas foram denominadas funções de estado. Analisando sob o ponto de vista das formas de energia, pode-se interpretar a energia interna como sendo uma função de estado. Mas o que é isso?
Para entender melhor este conceito, devemos definir o que é um processo. Um processo termodinâmico é uma transformação causada por um desequilíbrio, através da qual o sistema tende a interagir com as vizinhanças a fim de atingir um novo estado de equilíbrio. Assim sendo, todas as vezes que um sistema sair do equilíbrio, ele irá sofrer um processo para que chegue a um novo estado que esteja em equilíbrio. Por exemplo, a latinha de refrigerante colocada no congelador entrará em desequilíbrio com as vizinhanças (temperaturas diferentes), de forma que haverá uma força motriz (a diferença entre as temperaturas) que fará com que ela troque energia com as vizinhanças até que ela esteja na mesma temperatura que estas.
Portanto, sempre que houver uma força motriz, haverá um processo termodinâmico. Esta força motriz é causada por um distúrbio ou desequilíbrio do sistema com as suas vizinhanças. No exemplo anterior, a latinha se encontrava inicialmente no “estado 1” (temperatura ambiente) e, após sofrer o processo termodinâmico, chegou ao “estado 2” (temperatura do congelador). Logo, um processo termodinâmico pode ser interpretado como uma transformação que leva um sistema de um estado de equilíbrio a outro estado de equilíbrio.
A partir dos conceitos acima e da definição da energia interna, conclui-se que, como uma função de estado, a energia interna do sistema só depende dos estados inicial e final. Portanto, a energia interna não depende do caminho. Mas o que significa não depender do caminho?
Considere o exemplo a seguir, onde um sistema é levado do Estado 1 ao Estado 2 através de dois processos distintos A e B.
Figura 2.3: Um sistema passando por dois processos que levam do estado 1 ao estado 2.
Ambos os processos levarão o sistema do Estado 1 para o Estado 2. Desta forma, todas as propriedades do sistema serão as mesmas independente do processo, correto? A energia interna, a temperatura, a pressão, entre outras propriedades do sistema, serão todos independentes do caminho. Estas propriedades que somente dependem dos estados inicial e final são denominadas funções de estado.
Calor e Trabalho são formas de transferência de energia que dependem do caminho , ou seja, eles não são iguais nos processos A e B. Por este motivo, a termodinâmica é uma ciência tão importante na formação do engenheiro: ela nos ajuda a controlar quantidade de calor e de trabalho que podem ser obtidos em algum equipamento ou processo, de acordo com as nossas necessidades, com a melhor eficiência possível. Estes conceitos serão detalhados nos próximos capítulos.
Agora podemos encerrar com o conteúdo e ir para os exercícios (ufa!)
Considere um rio escoando em direção a um lago com uma velocidade média de 3 m/s a uma vazão de 500 m^3 /s em um local 90 m acima da superfície do lago. Determine a energia mecânica total da água do rio por unidade de massa e o potencial para geração de potência do rio naquele local.
Responda às perguntas:
a) Sob quais formas a energia pode atravessar as fronteiras de um sistema fechado? Quando a energia que atravessa as fronteiras de um sistema fechado é calor e quando ela é trabalho? b) O que é um processo adiabático? O que é um sistema adiabático?
Uma sala de aula para 40 pessoas deve ser climatizada por meio de aparelhos de condicionamento de ar com capacidade de resfriamento de 5 kW. Considera-se que uma pessoa parada dissipe calor a uma taxa de aproximadamente 360 kJ/h. Existem 10 lâmpadas incandescentes na sala, cada uma com uma capacidade nominal de 100 W. A taxa de transferência de calor para a sala através das paredes e das janelas é estimada em 15.000 kJ/h. Para que o ar da sala seja mantido à temperatura constante de 21 ºC, determine o número de aparelhos de condicionamento de ar necessários.
Um ventilador deve acelerar ar parado até a velocidade de 8 m/s a uma taxa de 9 m^3 /s. Determine a potência mínima que deve ser fornecida ao ventilador. Suponha que a densidade do ar seja de 1,18 kg/m^3.
As necessidades de iluminação de um depósito estão sendo atendidas com seis conjuntos de lâmpadas fluorescentes, sendo que cada conjunto contém quatro lâmpadas de 60 W cada. As lâmpadas permanecem acesas das 6 às 18 horas durante os 365 dias do ano. No momento, utiliza-se o depósito a uma média de três horas por dia. Considerando que o preço da eletricidade é de US$ 0,08/kWh, determine a quantidade de energia e o dinheiro economizado como resultado da instalação de sensores de movimento. Determine também o período de recuperação do investimento, considerando que o preço de compra do sensor é de US$ 32 e que foi necessária uma hora para a sua instalação ao custo de US$ 40.
Analise a situação abaixo.
Um veranista sente bastante calor ao chegar a sua casa de praia e se irrita ao constatar que o sistema de ar condicionado do seu quarto não está funcionando. Tentando solucionar o problema e resfriar o quarto, ele teve a idéia de ligar o frigobar que se encontra no interior do quarto, deixando sua porta aberta. As portas e janelas do quarto foram mantidas fechadas. A decisão do veranista foi sábia? O que acontecerá com a temperatura do quarto?
