TERMODINÂMICA

1. TERMODINÂMICA Fernando Luiz Pellegrini Pessoa ESCOLA DE QUÍMICA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

3. Dias: Terça/Quinta-Feira Horário: 15:00 – 17:00 Professores: Fernando Luiz Pellegrini Pessoa/Pedro Wagner Dúvidas: Terça/Quinta-Feira 14-15 h ;17-18 h (agendar) termodinamica2008@hotmail.com eqe359 Critérios de Avaliação. MP = (P1 + P2 + P3)/3 MP  7 Aprovado 3  MP < 7 Prova final. MP < 3 Reprovado. MF = (MP + PF)/2 MF  5 Aprovado MF < 5 Reprovado

4. RELAÇÃO PROFESSOR – ALUNOS • Segundo as mais recentes tendências sobre ensino de engenharia, a absorção do conhecimentodeixou de depender primordialmente do empenho em ensinar para depender primordialmente do empenho em aprender.

5. Participação dos Alunos nas Aulas • A aula é uma atividade interpessoal, não impessoal. Ela é ministrada a cada um dos alunos presentes e não à turma. Os alunos devem assistir às aulas com atenção, evitando saídas para tratar de outros assuntos, muito menos para atender telefones celulares. É de boa educação o aluno sinalizar ao professor quando precisar sair da sala de aula. Os alunos não devem assumir compromissos outros, como estágios, para o horário das aulas.

6. A ciência da TERMODINÂMICA nasceu no século 19, com a necessidade de descrever a operação das máquinas a vapor e de avaliar o limite do seu desempenho. os princípios observados válidos para as máquinas são facilmente generalizados, e são conhecidos como a primeira e a segunda leis da termodinâmica

7. Estas leis levam através de deduções matemáticas a um conjunto de equações que encontram aplicações em todos os campos da ciência e da engenharia Engenharia (voltada para a) Química Processos Químicos

8. Existem vários casos da aplicação simples da TD OPORTUNIDADES

9. ► cálculo das necessidades de calor e de trabalho para processos físicos e químicos BM e BE ► determinação das condições de equilíbrio para as reações químicas e para a transferência de espécies químicas entre fases diferentes condição de estabilidade TD

11. primeira lei da TD: ► energia transformada e transferida ► corrente de processo com calor disponível pode cedê-lo ► corrente de processo que necessita de calor recebê-lo segunda lei da TD: ►calor só pode ser transferido de um corpo com Th para um corpo com temperatura Tc, se Th > Tc

13. TD CLÁSSICA uma rede de equações, desenvolvidas através de uma lógica formal da matemática a partir de alguns postulados fundamentais levando a uma grande variedade de deduções úteis Os postulados e conceitos serão apresentados sem traçar um histórico dos mesmos

14. A aplicação da TD começa com a identificação de um corpo particular da matéria que chamamos de sistema O estado TD do sistema é definido por propriedades macroscópicas

15. vizinhança SISTEMA Contorno Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região no espaço escolhido para estudo. A massa ou região no lado de fora do sistema é chamado de vizinhança. A superfície real ou imaginária que separa o sistema da vizinhança é chamada de envoltória ou contorno. Define o volume de controle.

16. Gas 2 kg 3 m3 Gas 2 kg 1 m3 Contorno móvel Contorno fixo Um sistema fechado com contorno móvel.

17. Volume de controle Massa H2O quentsai H2O fria entra Energia Massa e energia atravessando o volume de controle Um sistema aberto (volume de controle) com uma saída/uma entrada Um sistema aberto (volume de controle) é uma região propriamente selecionada no espaço contendo um equipamento no qual existe fluxo de massa entrando e saindo. Massa e energia podem atravessar a envoltória.

18. Processos Espontâneos • Processos espontâneos são aqueles que podem ocorrer sem qualquer intervenção externa. • O gás no vaso B irá fluir espontaneamente para o vaso A, mas uma vez que o gás está nos dois vasos, ele não fluirá espontaneamente

19. Processos Espontâneos Processos que são espontâneos em uma direção não são espontâneos na direção contrária.

20. Processos Reversíveis Em um processo reversível, o sistema muda de uma forma que o sistema e a vizinhança podem ser retornados ao seu estado original pelo processo exatamente reverso. Mudanças são infinitesimalmente pequenas em um processo reversível.

21. Processos Irreversíveis • Processos irreversíveis não podem voltar ao estado original pelo processo inverso. • Todo processo Espontâneo é irreversível. • Todo processo Realé irreversível.

22. Estado de equilíbrio: o estado sem tendência de sair espontaneamente Processo: mudança de estado de equilíbrio Processo reversível: aquele que o sistema é mantido no estado de equilíbrio ao longo do processo Sistema de uma fase em um estado de equilíbrio interno: significa que é homogêneo, propriedades macroscópicas uniformes

23. m = 2 kg T2 = 20 oC V2 = 3 m3 m = 2 kg T1 = 20 oC V1 = 1.5 m3 Um sistema em dois estados diferentes.

24. P Estado Final Caminho do Processo Estado Inicial V Sistema Diagrama P-V de um processo de compressão.

25. Função de Estado

26. Propriedades Intensivas são independentes da quantidade de material Propriedades intensivas são independentes do tamanho do sistema. , kg/m3 , m3/kg e, kJ/kg u, kJ/kg

27. m V T P  Propriedade Extensiva Propriedade Intensiva Diferença entre propriedades extensiva e intensiva ½ m ½ m ½ V ½ V T T P P   Propriedades extensivas dependem da quantidadde do material do sistema tal como U & V. U & V tornam-se propriedades intensivas se for consideradad uma massa unitária (U & V específica), ou um mol (U & V molar)

28. A Natureza de um função F Uma variável F é dita para ser uma função de x e y, isto é, F=f(x,y), se para todos os pares de valores (x,y) existe um valor de F (F pode depender de várias variáveis) Uma equação que ligue F a x e y pode ser ou não conhecida F pode ser fornecida graficamente, onde um valor de F está associado a um par (x,y)

29. Propriedades dos Fluidos As aplicações da TD Clássica estão ligadas com as propriedades macroscópicas dos fluidos e suas relações com as condições mensuráveis de T,P,z Não é levado em conta campo magnético ou eletrostático, ou campo gravitacional, a amostra é estacionária, não é sujeita a força cisalhante e os efeitos de superfície são desprezados

30. As equações geradas podem ser aplicadas a estes sistemas, que os efeitos foram desprezados

31. POSTULADO 1 As propriedades macroscópicas de fluidos homogêneos no estado de equilíbrio são funções de T,P,z somente. V é uma função de T,P,z e caracterizamos o fluido como um sistema PVT

32. Tomamos T, P, z como variáveis básicas da TD para fluidos homogêneos Elas não são propriedades dos fluidos, mas condições impostas ou manifestadas Elas servem como coordenadas TD

33. Quais são as propriedades que são funções de T, P e z? Volume molar ou específico é uma delas Para um fluido homogêneo com z constante em equilíbrio, em um sistema PVT pode-se escrever; V=V(P,T)

34. V=V(P,T) A relação fundamental existe, mas sua expressão para um fluido por meio de tabela, gráfico ou uma equação deve ser baseada em medidas experimentais cuidadosas As eqs são chamadas Equações de Estado PVT

35. Pode-se propor várias funções de T e P, a z constante, mas tem que ser medida diretamente ou é uma função essencial na qual é possível fazer generalização que permitam a predição do comportamento do sistema Fazendo-se funções arbitrárias é difícil conseguir uma propriedade que represente os fluidos

36. A única forma de evitar definições arbitrárias de propriedades é tomar como base o reconhecimento destas propriedades no comportamento de fluidos reais O conceito mais fundamental é energia (mais antigo) Generalização lei da conservação de energia

37. Energia Não tem peso nem cor... ...tampouco cheiro! Mas pagamos por ela! Não podemos vê-la diretamente... ... Mas podemos percebê-la nas mudanças e transformações por ela produzidas.

38. Lei da Conservação da Energia 1o Princípio da Termodinâmica O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra... porém ela, a energia, não é criada nem destruida. Energia total antes da explosão = Energia total após a explosão Sejam quantas forem as transformações, a quantidade total de energia no Universo permanece constante.

39. Calor (Q) = energia em trânsito; gradiente de temperatura Não é uma propriedade do sistema Representa uma quantidade de energia transferida entre um sistema e sua vizinhança

40. Trabalho: energia em trânsito entre o sistema e sua vizinhança; não é propriedade do sistema 1. Realizado quando uma força atua em uma distância 2. Expansão/compressão cilindro com pistão

41. Energia Cinética: Se em um corpo de massa m é aplicada uma força F durante um intervalo de tempo diferencial dt, o deslocamento do corpo igual a dl: Potencial: Se um corpo de massa m vai de uma elevação inicial z1 para uma elevação final z2, com uma força exercida de no mínimo o peso do corpo, aplicada na distância de (z2-z1):

42. EXPERIMENTO DE JOULE (James P. Joule; 1818-1889; 1840;Manchester, England 1.Quantidades conhecidas de H2O ou óleo ou Hg em uma vaso isolado e agitado 2.Medir trabalho realizado pelo agitador e variação de T do fluido. 3.Quantidade fixa de W por unidade de massa para aumentar T. 4. T pode ser restaurado adicionando calor. 5.Relação quantitativa entre W e Q.

43. Energia Interna • Energia que se refere às moléculas internas à substância; • Energia de rotação, tanslação, vibração e potencial das forças intermoleculares; • Chamada interna para diferenciar da cinética e potencial, que são externas; • Adição de Q ou realização de W pode aumentar sua energia interna; • Não tem uma definição concisa na TD Clássica; • Não pode ser medida diretamente; • Não são conhecidos valores absolutos; • Só utilizamos variações da energia interna.

44. POSTULADO 2 Existe uma forma de energia, conhecida como energia interna (U), que para fluidos homogêneos existindo em equilíbrio no sistema PVT é uma propriedade do material e uma função de T,P,z.

45. POSTULADO 3 A energia total de um sistema e sua vizinhança é conservada; energia pode ser transferida de um sistema para sua vizinhança de uma forma para outra, mas a quantidade total permanece constante Primeira Lei da TD

46. 2o Princípio da Termodinâmica As transformações não alteram a quantidade de energia do Universo. Embora permaneça inalterada, ... ... em cada transformação, a parcela da energia disponível torna-se cada vez menor. Na maioria das transformações parte da energia converte em calor... ... que ao se dissipar caoticamente pela vizinhança torna-se , cada vez menos disponível, para realização de trabalho. A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez menor.

47. Termodinâmica trata da transformação de todo tipo de energia, de uma forma para outra.As restrições em que tais transformações são observadas para ocorrer são conhecidas como a primeira e a segunda leis da termodinâmica.

48. Energia pode existir em diferentes formas. A energia total do sistema (E) é constituída de formas macroscópica e microscópica. As formas macroscópicas são aquelas que o sistema possui em relação a sua vizinhança, tal como energias cinética (KE) [movimento] e potencial (PE) [posição]. Macroscópica E = KE + PE

49. A soma de todas as formas de energias microscópicas é chamada de energia interna (U) do sistema. Ela leva em conta os movimentos internos das moléculas que movem com alguma velocidade (translação), vibram em relação a outra (vibracional, interação) e movem em torno de um eixo durante o movimento randômico (rotação). Total E = U + KE + PE

50. Calor (Q) é uma palavra que denota energia em trânsito como o resultado de um gradiente de temperatura (Experimento de Joule) Não é uma propriedade do sistema Representa uma quantidade de energia transferida entre um sistema e sua vizinhança