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AULA 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS PROF. RICARDO FERREIRA NETO 23/07/19 Slide 1 CABEAMENTO DE DISTRIBUIÇÃ DOMO DE A CONTENÇÃO o) | GERADORES ' [ID AVvAOR : Lad PARA TANQUE DE COMBUSTÍVEL CONSUMIDO | VASO DO E [ci EAR, DOE LOOP PRESSURIZADOR PRIMÁRIO SECUNDÁRIO CONDENSADOR TUBULAÇÃO PARA A BAIA 23/07/19 Slide 1 2. CONCEITOS E DEFINIÇÕES 2.1. O SISTEMA TERMODINÂMICO E O VOLUME DE CONTROLE Sistema termodinâmico: (sistema fechado) consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico, isto é, tudo o que é externo ao sistema é denominado MEIO ou VIZINHANÇA. O sistema termodinâmico a ser estudado é separado da vizinhança pelas FRONTEIRAS DO SISTEMA e essas fronteiras podem ser móveis ou fixas. Calor e trabalho podem cruzar a fronteira Sistema Fechado: E o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema. Ex.: Considere o gás contido no cilindro mostrado na figura abaixo como sistema. Se o conjunto é aquecido, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. Quando o êmbolo de eleva, a fronteira do sistema move. O calor e trabalho cruzam a fronteira do sistema durante esse processo, mas não a matéria que compõe o sistema. Pesos Êmbolo E: Figura 1: Exemplo de um sistema Fronteira do sistema 23/07/19 Slide 1 4 Sistema Isolado: Dizemos que um sisterna termodinâmico é isolado quando não existe qualquer interação entre o sisterna termodinâmico e a sua vizinhança. (ou seja, através das fronteiras não ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc.). Um sistema isolado, em fisica e química, é um sistema que não troca nem matéria e nem energia com o ambiente, sendo delimitado por uma fronteira completamente restritiva à troca de matéria, à variação de volume, e ao calor, Não existe nenhum sistema prático conhecido que satisfaça com absoluta precisão estas condições, mas, na prática, consegue-se muito boas aproximações para os mesmos, ao longo intervalos de tempo suficientemente grandes mas entretanto ainda finitos. Cogita-se a hipótese de o Unix erso ser um sistema isolado. Segundo a primeira lei da termodinâmica, em um sistema isolado a energia se conserva Segundo a segunda lei da termodinâmica, em um sistema isolado a entropia nunca decresce. Uma boa tentativa de se criar um sistema isolado é encerra-lo em uma garrafa térmica. Através deum vácuo existente entre duas paredes do recipiente evita-se a transferência de calor por convecção e condução. Para evitar a transferência por irradiação, as faces internas e externas do recipiente são espelhadas. No entanto, o isolamento não chega a ser perfeito. 23/07/19 Slide 1 5 2.2. PONTOS DE VISTA MACROSCÓPIO E MICROSCÓPIO Meio continuo: Sob o ponto de vista macrescópio, nós sempre consideremos volumes muito marores que os moleculares e, desta forma, trataremos com sistemas que contém uma enormidade de moléculas. Uma vez que não estamos interessados nos comportamentos individuais das moléculas, desconsideraremos a ação de cada molécula e trataremos a substância como contirua. 2.3. ESTADO E PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA se considerarmos uma massa de água, reconhecemos que ela pode existir sob várias formas. Be for inicialmente liquida pode-se tornar vapor depois de aquecida ou sólida quando resfriada. Assim nos referimos às diferentes fases de uma substância: Fase: uma fase é definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea (fase liquida, sólida ou gasosa). Quando mais de uma fase está presente, as fases se acham separadas entre si por meio das fronteiras das fases. Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinâmica, em vários estados. Estados: O estado de uma fase pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis; algumas das mais familiares são: temperatura, pressão e massa específica. 23/07/19 Slide 1 7 Propriedades: Cada uma das propriedades (Lermperatura, pressão, massa) de uma substância num dado estado apresenta somente um valor definido e essas proprisdades tem sempre o mesmo valer para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a ela, De fato, uma propriedade pode ser definida como uma quantidade que depende do estado do sistema e é independente do caminho (isto é, da história) pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Inversamente, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intenstvas e extensivas. Propriedade intensiva: é independente da massa. Ex. | temperatura, pressão. Propriedade extensiva: seu valor varia diretamente com a massa Ex.: massa, volume. Assim, se uma quantidade de matéria, num dado estado, é dividida em duas partes iguais, cada parte apresentará o mesmo valor das propriedades intensivas e a metade do valer das propriedades extensivas da massa original. Quando um sistema está em equilibrio em relação a todas as possíveis mudanças de estado, dizemos que o sistema está em equilibrio termodinâmico. 23/07/19 Slide 1 8 Um passo para respondermos a essa pergunta consiste na definição de um processo ideal chamado de processo de quase-equilibrio, Um processo de quase equilibrio é aquele em que o desvio do equilibrio termodinâmico é igintesimal e todos os estados pelos quais q sistema passa durante o processo podem ser considerados como estados de equilibrio, Muitos dos processos reais podem ser modelados, com boa precisão, como processos de quase-equilibrio, Se os pesos sobre o pistão são pequenos, e forem retirados, um a um, o processo pode ser considerado como de quase- equilibrio. Processo de não-equilibrio: Quando o sistema não se encontra em equilíbrio er nenhum instante durante a mudança e estado. Assim o sistema só pode ser descrito antes de ocorrer o processo e após, quando o equilibrio é restabelecido. Prefixo ISO: é usado para caracterizar um processo que ocorre mantendo uma propriedade constante: « Processo isotémnico: processo a temperatura constante, «Processo isobárico: processo a pressão constante, * Processo isométrico: processo a volume constante. 23/07/19 Slide 1 10 4º TEMPO Dasstarço TEMPO Aspiração q" TEMPO impasdo da JÉTEMPO Cospresaõe Commebynitral Ecpándko 2 Elide 1 12 2.5 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORCA Força: O conceito de força resulta da segunda lei de Newton, que estabelece que a força que atua sobre um corpo é proporcional ao produto da massa do corpo pela aceleração na direção da força No 81, a unidade de força é definida a partir da segunda lei de Newton, não sendo, portanto um conceito independente: P=ma & unidade de força é o Newton (N), que, por defirução, é a força necessária para acelerar uma massa de 1 quilograma à razão de 1 metro por segundo, ou seja, IN = 1 kgm/sº Deve-se observar que as unidades SI, que derram de nomes próprios são representadas por letras matúsculas, as outras são representadas por letras minúsculas. Tempo: A unidade básica de tempo é o segundo (5). Comprimento: À unidade básica de comprimento é o metro Gm). Massa: A unidade 31 de massa é o quilograma (Kg) 23/07/19 Slide 1 13 Mol: O mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quanto são os átomos contidos em 12 g de carbono-12. Logo, 1 mol é a quantidade de matéria que existe em 6,02 x 10? entidades. Ao utilizar o termo mol, derem-se especificar quais são as entidades elementares em questão (átomos, moléculas, ions, etc), O conceito de mol esta intimamente ligado à Constante de Avogrado (valor aproximado de 6,022 x 10%). Assim, 1 mol de moléculas de qualquer gás possui 6,022 x 102 moléculas deste gás, 1 mol de ions equivale a 6,022 x 1CÊ fons e 1 mol de grão de areia equivale a 6,022 x 10 grãos de areia. Um mol de átomos de qualquer elemento tem a massa de x gramas, onde x é a massa molar da substância, sendo que a massa molar e a massa atômica do elemento são numericamente iguais. A massa atômica do cloro é 35453 u, e a massa molar do cloro, 35453 gfmol. Nos utilizaremos o quilomol (kmol), que corresponde à quantidade da substância, em quilogramas, numercamente igual ao peso molecular. ATENÇÃO: O termo “peso” é frequentemente associado a um corpo e é, às vezes, confundido com massa. À palavra peso é usada corretamente apenas quando está associada à força. Quando dizemos que um corpo pesa um certo valor, isto significa que esta é a força com que o corpo & atraído pela Terra (cu por algum outro corpo), cu seja, o peso é igual ao produto da massa do corpo pela aceleração local da gravidade A massa de uma substância permanece constante variando-se a sua altitude, porém o seu peso varia com a altitude. 23/07/19 Slide 1 14 Uma unidade muito usual para a massa específica é o g/er? , mas no SI a unidade é o kgfm”. A relação entre elas é a seguinte: s 0%kg em Om =10º'kgimº Observação: t E comum encontrarmos o termo densidade em lugar de massa específica, Usa-se "densidade" para representar a razão entre a massa e o volume de objetos sólidos (ocos ou maciços), e "massa especifica! para liquidos e substâncias. Um objeto oco pode ter densidade muito diferente da massa especifica do material que os compõem, a exemplo os navios. Embora a massa específica do aço seja maior do que a massa específica da água, a densidade de um navio - assumido uma estrutura "fechada", é certamente menor do que a da água. Para liquidos e gases as expressões densidade e massa específica - dadas as propriedades físicas destes estados - acabam sendo utilizadas como sinônimos. 23/07/19 Slide 1 16 2.8. PRESSÃO É uma propriedade termodinâmica definida como sendo a relação entre uma força e a área normal onde está sendo aplicada a força. 4 unidade de pressão no Sistema Internacicnal é o pascoal (Pa) e corresponde à força de 1 newton agindo numa área de 1 metro quadrado. Isto é, 1Pa=1 Nie, Força A área Outras unidades de pressão: fa * Quilograma — força por metro quadrado = def m of : * Psg= e (manometrica) + medição de pressões manomeétricas dá-se em psig, mas em ih pressões absolutas dá-se em psia. a Psa= er (absoluta) im Considere o gás contido em um sistema. A pressão exercida pelo gás em todas as fronteiras do sistema é a mesma desde que o gás esteja num estado de equilibrio. & pressão absoluta é utilizada na maioria das análises termodinâmicas. Entretanto, a maioria dos manômetros de pressão e de vácuo indica a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica, diferença esta charada de pressão manométrica cu efetiva. As pressões, abaixo da atmosférica e ligeiramente acima, e as diferenças de pressão (por exemplo, através de um crifício em um tubo) são medidas frequentemente com manômetro que utiliza água, mercúrio, álcool cu óleo como fluido mancmeétrico. Pp abs =Pm th, mem | = Pressão absoluta = pressão atmosférica + pressão manométrica 23/07/19 Slide 1 17 Considere a coluna de fluido com altura L, medida acima do ponto B, mostrada na figura a seguir. Est A Z Fluido / A |£ p / Z Z A Z A mm A —B Z Z Figura 5: Exemplo de uma medição de pressão usando uma coluna do fluido Pelos princípios da hidrostática podemos concluir que, para uma diferença de nivel, L em metros, em um manômetro em U, a diferença de pressão em Pascal é dada pela relação BO =P Pam SOL'E onde g é a aceleração da gravidade, em m/s”, p é a densidade do fluido manométrico, en kg” eLéa altura da coluna de líquido, em m metros) 23/07/19 Slide 1 19 e atm padrão= latn=760mmHg= 1,033 kgi/em? = 14,7 Ibffinê = 14,7 psi (Ibg'inZ)= 101325 Pa= OBS.: A pressão atmosférica padrão é definida como a pressão produzida por uma coluna de mercúrio exatamente igual a 760 mm sendo a densidade do mercúrio de 13,5951 gm/errê sob a aceleração da gravidade padrão de 9,80665 m/& = 0,1013 MPa = 29,92 inHg= 1,01325 bar e 1bar=1,033 kgfem? = 10 Nimé=10 Pa As pressões extremamente baixas (um alto vácuo) são frequentemente medidas em microns de mercúrio (usualmente apenas a palavra microns é usada). Um micron é igual a um milionésimo de um metro ou 10º mm Assim imicron=1z10'm=1x10mm 1 micron deHg= 1210 mmEg= 13,6x 10" kgfterê A unidade IMPa 1 MPa 1GPa Im 1lem Lkgf Lkgf 1 polegada (ou 1") Im 23/07/19 é equivalente a 1 Nímm? Lx 10 Nim” 1x 10º Nim” 100 em 0,01m 9,81N 2.20 lb 2.54 em 10000 em? Slide 1 20