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capitulo1 - Termod[1]

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Termodinâmica I – cap. 1 1 CAPÍTULO I CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1.1 - Introdução A palavra termodinâmica teve origem na junção de dois vocábulos gregos, therme (calor) e dynamis (força), que têm a ver com as primeiras tentativas para transformar calor em trabalho e que constituiram o objectivo primordial desta ciência. A ciência da termodinâmica surgiu pela necessidade de aperfeiçoar o funcionamento das primeiras máquinas a vapor, de que é exemplo a máquina de Newcomen construída no princípio do
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  Termodinâmica I – cap. 1 1 CAPÍTULO ICONCEITOS FUNDAMENTAIS  1.1 - Introdução A palavra termodinâmica teve srcem na junção de dois vocábulos gregos, therme (calor)   e dynamis (força), que têm a ver com as primeiras tentativas paratransformar calor em trabalho e que constituiram o objectivo primordial destaciência.   A ciência da termodinâmica surgiu pela necessidade de aperfeiçoar ofuncionamento das primeiras máquinas a vapor, de que é exemplo a máquina de Newcomen construída no princípio do século XVIII.Actualmente a termodinâmica não se ocupa apenas das transformações ondeocorrem trocas de calor e de trabalho mas estendeu-se a todas as outras formasde energia e suas transformações, podendo dizer-se que a termodinâmica é aciência que estuda a energia nas suas diversas formas.Uma das leis fundamentais da Natureza é a lei da conservação da energia. Estabelece que, durante qualquer interacção, a energia pode mudar duma forma para outra mas a quantidade total de energia mantém-se constante, isto é, não se pode criar, nem destruir, energia. Como mais tarde se verá o primeiro princípioda termodinâmica é, apenas, uma expressão desta lei afirmando, ainda, que aenergia é uma propriedade termodinâmica da matéria.O segundo princípio da termodinâmica afirma que as diferentes formas deenergia não têm todas a mesma “qualidade”, isto é, existem formas de energiamais uteis do que outras. Nas transformações que ocorrem na Natureza a energiaconserva-se mas degrada-se, o que significa que as transformações dão-se nosentido em que diminui a “qualidade” da energia.Sabe-se que a matéria é constituida por um número muito grande de partículaschamadas moléculas. Naturalmente que as propriedades duma substânciadependem do comportamento das moléculas que a constituem. Por exemplo, a pressão dum gás num reservatório é o resultado da transferência da quantidadede movimento entre as moléculas do gás e as paredes do reservatório nomomento em que as primeiras chocam com as segundas. No entanto não énecessário conhecer o comportamento destas moléculas para determinar a pressão do gás. É suficiente ligar o reservatório a um aparelho que mede a pressão chamado manómetro . Esta abordagem do estudo da termodinâmica quenão necessita conhecer o comportamento das partículas elementares queconstituem a matéria é denominada termodinâmica clássica. Fornece umaresolução directa e fácil dos problemas que surgem em engenharia. Umaabordagem mais complicada, baseada no comportamento médio dum grandenúmero de partículas elementares, é designada termodinâmica estatística. Esteúltimo método só raramente será utilizado durante este curso e apenas paraesclarecer melhor o significado de alguns conceitos.Como quase todos os assuntos que interessam a um engenheiro dizem respeito ainteracções entre energia e matéria é difícil conceber uma área de engenharia quenão esteja relacionada com a termodinâmica, em algum aspecto. Não é preciso procurar muito para encontrar áreas de aplicação datermodinâmica. Por exemplo, a termodinâmica tem um papel essencial no projecto e análise de motores de automóveis e de aviões a jacto, de centraistérmicas convencionais e nucleares, de sistemas de ar condicionado, de  Termodinâmica I – cap. 1 2 Figura 1.2 – Sistema, fronteirae vizinhançaFigura 1.3 – Sistema fechado máquinas frigoríficas, etc. Por isso, desde há muito tempo que um bomentendimento dos princípios da termodinâmica tem sido uma parte essencial daformação dos engenheiros. Figura 1.1 – Algumas aplicações práticas da termodinâmica 1.2 - Sistemas fechados e abertos Um sistema termodinâmico é qualquer quantidade de matéria, ou região do espaço, que se escolhe com o objectivo de estudar o seucomportamento. A matéria, ou a região, exterior ao sistema é designada vizinhança. Chama-se fronteira à superfície, real ou imaginária, quesepara o sistema da sua vizinhança. A fronteiradum sistema pode ser   fixa ou móvel.  Os sistemas classificam-se em fechados e abertos, conforme se escolhe como objecto deestudo uma determinada quantidade de matéria ouuma determinada região do espaço. Um sistemafechado (também designado massa de controlo )é constituido por uma quantidade fixa de matériae a sua froneira não pode ser atravessada por essamatéria. Isto é, não pode entrar, nem sair, massado sistema. Mas a energia, quer na forma detrabalho quer na forma de calor, pode atravessar afronteira deste sistema e o seu volume podevariar. Se , eventualmente, nem a energia podeatravessar a fronteira dum sistema fechado, estechama-se isolado.     SISTEMAFECHADOm= const.massa NÃOenergia SIM  Termodinâmica I – cap. 1 3 Suponhamos que pretendemos saber o queacontece ao gás encerrado num dispositivocilindro-êmbolo, como o representado na figura1.4, quando o aquecemos. Como estamosinteressados no seu comportamento o gásconstitui o nosso sistema. A superfície interior do cilindro e a do êmbolo são a fronteira destesistema e como não há massa a atravessar estafronteira trata-se dum sistema fechado. Repareque a energia pode atravessar a fronteira dumsistema fechado e que parte desta fronteira (asuperfície interna do êmbolo) pode mover-se.Qualquer coisa exterior ao gás, incluindo oêmbolo e o cilindro, constituem a vizinhançado sistema.Um sistema aberto, também designado volume de controlo, é uma região do espaçoconvenientemente escolhida. Normalmenteinclui um dispositivo através do qual a matéria pode fluir como, por exemplo, um compressor,uma turbina ou uma tubeira. O fluxo de matériaatravés de tais dispositivos estuda-se melhor escolhendo a região no interior destesdispositivos para objecto de estudo, queconstitui o volume   de controlo . Tanto a massa,como a energia, podem atravessar a fronteiradum sistema aberto que é também denominada superfície de controlo. Como exemplo dum sistema aberto podemostomar um esquentador de água, representadoesquematicamente na figura 1.6. Suponhamosque queríamos determinar a quantidade decalor que era preciso fornecer à água para seobter um determinado caudal de água quente.Como há água quente saindo e água friaentrando para o reservatório, para substituir aque saíu, não é conveniente escolher umadeterminada massa de água como sistematermodinâmico. Pelo contrário, podemosconcentrar a nossa atenção no volume limitado pela superfície interior do reservatório econsiderar a água quente e a água fria como massas entrando e saindo do volumede controlo. A superfície interior do reservatório constitui a superfície decontrolo e a matéria atravessa esta superfície em dois locais.  As relações termodinâmicas que se aplicam aos sistemas abertos são diferentesdas que se aplicam aos sistemas fechados. Por isso é muito importante quereconheçamos o tipo de sistema antes de começarmos a analisar o seucomportamento. Em todas as situações o sistema que estamos a estudar deve ser cuidadosamentedefinido. Muitas vezes parece desnecessário fazê-lo, por ser óbvio qual deve ser  Figura 1.4 - Sistema fechado comfronteira móvelFigura 1.5 - Tanto a massa como aenergia podem atravessar a fronteiradum sistema aberto.Figura 1.6 - Exemplo dum sistemaaberto  Termodinâmica I – cap. 1 4 o sistema a considerar. Pelo contrário, noutros casos bastante mais complicadosa escolha apropriada do sistema a investigar pode simplificar a análise do problema que temos que solucionar. 1.3   - Propriedades Chama-se propriedade a qualquer característica dum sistema. Algumas destas propriedades como a pressão P, a temperatura T, o volume V, e a massa m, são bastante familiares e podem ser directamente determinadas. No entanto, vãosurgir propriedades que não são directamente mensuráveis, como por exemplo aentropia S e a energia interna U, que são definidas à custa dos princípios datermodinâmica.Algumas propriedades obtêm-se por operações matemáticas sobre outras queanteriormente foram determinadas como, por exemplo, o produto da pressão P pelo volume V adicionado à energia interna U, que se designa entalpia H(H=U+PV). Poderiam obter-se por este processo um número infindável de propriedades mas só algumas delas terão interesse na prática.As propriedades podem ser  intensivas ou extensivas. As propriedadesintensivas são aquelas que são independentes do tamanho dum sistema, taiscomo a temperatura, a pressão e a densidade. Pelo contrário, os valores das  propriedades extensivas dependem do tamanho (ou extensão) do sistema. Amassa m, o volume V, a energia total E, são alguns exemplos de propriedadesextensivas. Para saber facilmente se uma dada propriedade é intensiva ouextensiva supõe-se o sistema dividido em duas partes iguais, como se representana figura 1.7. Em cada uma das partes as propriedades intensivas terão o mesmovalor que tinham no sistema inicial, contudo as propriedades extensivas terãometade do valor que tinham no sistema inicial.Pode obter-se uma propriedade intensiva a partir duma propriedade extensivadividindo o seu valor pela massa ou pelo número de moles do sistema. Ao valor duma propriedade por unidade de massa dá-se o nome de propriedadeespecífica, e por mole propriedade específica   molar . Geralmente utilizam-seletras maiúsculas para representar as propriedades extensivas (com excepção damassa m) e as letras minúsculas correspondentes para representar as propriedades específicas que delas derivam. Por exemplo, dividindo pela massa m o volume V, a energia total  E  e a energia interna U  obtemos, respectivamente,o volume específico   v= V m , a energia específica total e=  E m e a energia internaespecífica u= U m .   Figura 1.7 - Critério para distinguir as propriedades intensivas das extensivas mVTP ρ   ½ m½ VTP ρ  ½½ VTP ρ   PropriedadesextensivasPropriedadesintensivas
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