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Engenharia Biomédica ·
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TERMODINÂMICA PARTE 1 Capítulo 1 e 3 Introdução e Substâncias Puras Termodinâmica Yunus A Çengel Michael A Boles McGrawHill 2011 SISTEMAS Sistema quantidade de matéria ou uma região do espaço escolhida para estudo Vizinhança massa ou região fora do sistema Fronteira superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel Sistemas podem ser fechados ou abertos Sistema fechado massa de controle quantidade fixa de massa e nenhuma porção pode cruzar a fronteira VOLUME DE CONTROLE Sistema aberto volume de controle Uma região do espaço selecionada Geralmente compreende um dispositivo que inclui escoamento de massa como um compressor ou turbina Massa e energia podem cruzar a fronteira do volume de controle Superfície de controle As fronteiras de um volume de controle Podem ser reais ou imaginárias SISTEMA X VOLUME DE CONTROLE PROPRIEDADES DO SISTEMA Propriedade qualquer característica do sistema como por exemplo pressão P temperatura T volume V e massa m Propriedade Intensiva são independentes da massa de um sistema Propriedades extensivas são propriedades que dependem do tamanho ou extensão do sistema Propriedades específicas propriedades extensivas por unidades de massa ESTADO E EQUILÍBRIO O estado de um sistema é descrito por suas propriedades nesse estado todas as propriedades tem valores fixos Equilíbrio um sistema em equilíbrio não passa por mudanças quando é isolado da sua vizinhança Equilíbrio térmico se a temperatura for igual em todo o sistema Equilíbrio mecânico se não há mudança de pressão em qualquer ponto do sistema no tempo Equilíbrio de fase quando a massa de cada fase atinge um nível de equilíbrio e permanece nele Equilíbrio químico se sua composição química não muda com o tempo O POSTULADO DE ESTADO O número de propriedades necessárias para definir o estado é dada pelo postulado de estado O estado de um sistema compressível simples e completamente especificado por duas propriedades intensivas independentes Sistema compressível simples na ausência de efeitos elétricos magnéticos gravitacionais de movimento e de tensão superficial PROCESSOS E CICLO Processo toda mudança no qual o sistema passa de um estado de equilíbrio para outro Percurso a série de estados pelos quais um sistema passa durante um processo Quaseestático quando um processo se desenvolve de forma que um sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio ao longo do tempo PROCESSOS E CICLO Processo isotérmico um processo que ocorre a temperatura constante Processo isobárico um processo que ocorre a pressão constante Processo isocórico um processo que ocorre a volume específico constante Ciclo quando o sistema retorna ao estado inicial no final do processo CALOR ESPECÍFICO Calor específico a volume constante cv Energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância enquanto o volume permanece constante Calor específico à pressão constante cp Energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância enquanto a pressão permanece constante CALOR ESPECÍFICO As equações na figura são válidas para qualquer substância passando por qualquer processo cv e cp são propriedades cv está relacionado a mudanças na energia interna e cp a mudanças na entalpia Uma unidade comum para calores específicos é kJkg C ou kJkg K Essas unidades são idênticas ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Substâncias incompressíveis Substância cujo volume específico é constante Sólidos e líquidos são substâncias incompressíveis ENTALPIA UMA PROPRIEDADE COMBINADA ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS VARIAÇÕES DE ENERGIA INTERNA ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Variações de entalpia Para sólidos o termo vΔP é insignificante e portanto ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Variações de entalpia Para líquidos são comumente encontrados dois casos especiais 1 Processos à pressão constante ΔP 0 como em aquecedores 2 Processos à temperatura constante ΔT 0 como em bombas Uma relação mais precisa SUBSTANCIAS PURAS Substância pura Substância que tem a mesma composição química em toda a sua extensão O ar é uma mistura de vários gases porém é considerado uma substância pura FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA a Sólidos as moléculas ocupam posições relativamente fixas b Líquido grupos de moléculas se movimentam com relação a outros grupos c Gasosa as moléculas se movimentam de maneira aleatória PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Líquido comprimido ou sub resfriado substância que não está pronta para se converter em vapor Líquido saturado líquido que está pronto para se vaporizar PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Vapor saturado vapor que está pronto para condensar Vapor saturado vapor que está pronto para condensar Vapor superaquecido vapor que não está pronto para se condensar não saturado PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Se o processo todo entre os estados 1 e 5 descritos na figura for revertido através do resfriamento da água enquanto a pressão é mantida no mesmo valor a água retornará ao estado 1 traçando novamente o mesmo caminho e ao fazer isto a quantidade de calor liberada será exatamente igual à quantidade de calor adicionada durante o processo de aquecimento TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO A temperatura na qual a água começa a ferver depende da pressão logo se a pressão for fixa a temperatura de ebulição também será fixa A água ferve aos 100C à pressão de 1 atm Temperatura de saturação Tsat Temperatura na qual uma sustância pura muda de fase Pressão de saturação Psat Pressão na qual uma sustância pura muda de fase TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO A temperatura na qual a água começa a ferver depende da pressão logo se a pressão for fixa a temperatura de ebulição também será fixa Temperatura de saturação Tsat Temperatura na qual uma sustância pura muda de fase Pressão de saturação Psat Pressão na qual uma sustância pura muda de fase CALOR LATENTE Calor latente Quantidade de energia absorvida ou liberada durante um processo de mudança de fase Calor latente de fusão Quantidade de energia absorvida durante a fusão É equivalente à energia liberada durante a solidificação Calor latente de vaporização Quantidade de energia absorvida durante a vaporização e é equivalente à energia liberada durante a condensação As magnitudes dos calores latentes dependem da temperatura ou da pressão na qual ocorre a mudança de fase DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA OS PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE Diagramas Tv para água DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA OS PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE Diagramas Tv para substancias puras Ponto crítico Ponto no qual os estados de vapor e de líquido saturados são idênticos A pressões superiores a pressão crítica não há como caracterizar um processo de mudança de fase PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOTÉRMICO INCLUSÃO DE TODAS AS FASES Gráfico Tv de uma substancia Pura Sublimação Passagem da forma sólida à de vapor de forma direta REPRESENTAÇÃO 3D ESTADOS SATURADOS Tabela A4 Propriedade da agua saturada como entrada a temperatura Tabela A5 Propriedade da agua saturada como entrada a pressão Estados de líquido e vapor saturados da água nos diagramas Tv e Pv MISTURA SATURADA Título x Razão entre a massa do vapor pela massa total da mistura MISTURA SATURADA MISTURA SATURADA Título x Razão entre a massa do vapor pela massa total da mistura VAPOR SUPER AQUECIDO Comparado ao vapor saturado o vapor superaquecido é caracterizado por Tabela A6 Propriedade da agua no estado de vapor super aquecido VAPOR SUPER AQUECIDO Tabela A6 Propriedade da agua no estado de vapor super aquecido LIQUIDO COMPRIMIDO Tabela A7 Propriedade da agua no estado de líquido comprimido Líquido comprimido é caracterizado por As propriedades do líquido comprimido dependem muito mais da temperatura do que da pressão Um líquido comprimido pode ser aproximado como um líquido saturado a uma determinada temperatura LIQUIDO COMPRIMIDO Uma relação mais precisa para h Um líquido comprimido pode ser aproximado como um líquido saturado a uma determinada temperatura 340
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TERMODINÂMICA PARTE 1 Capítulo 1 e 3 Introdução e Substâncias Puras Termodinâmica Yunus A Çengel Michael A Boles McGrawHill 2011 SISTEMAS Sistema quantidade de matéria ou uma região do espaço escolhida para estudo Vizinhança massa ou região fora do sistema Fronteira superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel Sistemas podem ser fechados ou abertos Sistema fechado massa de controle quantidade fixa de massa e nenhuma porção pode cruzar a fronteira VOLUME DE CONTROLE Sistema aberto volume de controle Uma região do espaço selecionada Geralmente compreende um dispositivo que inclui escoamento de massa como um compressor ou turbina Massa e energia podem cruzar a fronteira do volume de controle Superfície de controle As fronteiras de um volume de controle Podem ser reais ou imaginárias SISTEMA X VOLUME DE CONTROLE PROPRIEDADES DO SISTEMA Propriedade qualquer característica do sistema como por exemplo pressão P temperatura T volume V e massa m Propriedade Intensiva são independentes da massa de um sistema Propriedades extensivas são propriedades que dependem do tamanho ou extensão do sistema Propriedades específicas propriedades extensivas por unidades de massa ESTADO E EQUILÍBRIO O estado de um sistema é descrito por suas propriedades nesse estado todas as propriedades tem valores fixos Equilíbrio um sistema em equilíbrio não passa por mudanças quando é isolado da sua vizinhança Equilíbrio térmico se a temperatura for igual em todo o sistema Equilíbrio mecânico se não há mudança de pressão em qualquer ponto do sistema no tempo Equilíbrio de fase quando a massa de cada fase atinge um nível de equilíbrio e permanece nele Equilíbrio químico se sua composição química não muda com o tempo O POSTULADO DE ESTADO O número de propriedades necessárias para definir o estado é dada pelo postulado de estado O estado de um sistema compressível simples e completamente especificado por duas propriedades intensivas independentes Sistema compressível simples na ausência de efeitos elétricos magnéticos gravitacionais de movimento e de tensão superficial PROCESSOS E CICLO Processo toda mudança no qual o sistema passa de um estado de equilíbrio para outro Percurso a série de estados pelos quais um sistema passa durante um processo Quaseestático quando um processo se desenvolve de forma que um sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio ao longo do tempo PROCESSOS E CICLO Processo isotérmico um processo que ocorre a temperatura constante Processo isobárico um processo que ocorre a pressão constante Processo isocórico um processo que ocorre a volume específico constante Ciclo quando o sistema retorna ao estado inicial no final do processo CALOR ESPECÍFICO Calor específico a volume constante cv Energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância enquanto o volume permanece constante Calor específico à pressão constante cp Energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de uma substância enquanto a pressão permanece constante CALOR ESPECÍFICO As equações na figura são válidas para qualquer substância passando por qualquer processo cv e cp são propriedades cv está relacionado a mudanças na energia interna e cp a mudanças na entalpia Uma unidade comum para calores específicos é kJkg C ou kJkg K Essas unidades são idênticas ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Substâncias incompressíveis Substância cujo volume específico é constante Sólidos e líquidos são substâncias incompressíveis ENTALPIA UMA PROPRIEDADE COMBINADA ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS VARIAÇÕES DE ENERGIA INTERNA ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Variações de entalpia Para sólidos o termo vΔP é insignificante e portanto ENERGIA INTERNA ENTALPIA E CALORES ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Variações de entalpia Para líquidos são comumente encontrados dois casos especiais 1 Processos à pressão constante ΔP 0 como em aquecedores 2 Processos à temperatura constante ΔT 0 como em bombas Uma relação mais precisa SUBSTANCIAS PURAS Substância pura Substância que tem a mesma composição química em toda a sua extensão O ar é uma mistura de vários gases porém é considerado uma substância pura FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA a Sólidos as moléculas ocupam posições relativamente fixas b Líquido grupos de moléculas se movimentam com relação a outros grupos c Gasosa as moléculas se movimentam de maneira aleatória PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Líquido comprimido ou sub resfriado substância que não está pronta para se converter em vapor Líquido saturado líquido que está pronto para se vaporizar PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Vapor saturado vapor que está pronto para condensar Vapor saturado vapor que está pronto para condensar Vapor superaquecido vapor que não está pronto para se condensar não saturado PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOBÁRICO Se o processo todo entre os estados 1 e 5 descritos na figura for revertido através do resfriamento da água enquanto a pressão é mantida no mesmo valor a água retornará ao estado 1 traçando novamente o mesmo caminho e ao fazer isto a quantidade de calor liberada será exatamente igual à quantidade de calor adicionada durante o processo de aquecimento TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO A temperatura na qual a água começa a ferver depende da pressão logo se a pressão for fixa a temperatura de ebulição também será fixa A água ferve aos 100C à pressão de 1 atm Temperatura de saturação Tsat Temperatura na qual uma sustância pura muda de fase Pressão de saturação Psat Pressão na qual uma sustância pura muda de fase TEMPERATURA E PRESSÃO DE SATURAÇÃO A temperatura na qual a água começa a ferver depende da pressão logo se a pressão for fixa a temperatura de ebulição também será fixa Temperatura de saturação Tsat Temperatura na qual uma sustância pura muda de fase Pressão de saturação Psat Pressão na qual uma sustância pura muda de fase CALOR LATENTE Calor latente Quantidade de energia absorvida ou liberada durante um processo de mudança de fase Calor latente de fusão Quantidade de energia absorvida durante a fusão É equivalente à energia liberada durante a solidificação Calor latente de vaporização Quantidade de energia absorvida durante a vaporização e é equivalente à energia liberada durante a condensação As magnitudes dos calores latentes dependem da temperatura ou da pressão na qual ocorre a mudança de fase DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA OS PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE Diagramas Tv para água DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES PARA OS PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE Diagramas Tv para substancias puras Ponto crítico Ponto no qual os estados de vapor e de líquido saturados são idênticos A pressões superiores a pressão crítica não há como caracterizar um processo de mudança de fase PROCESSOS DE MUDANÇA DE FASE DE SUBSTÂNCIAS PURAS ISOTÉRMICO INCLUSÃO DE TODAS AS FASES Gráfico Tv de uma substancia Pura Sublimação Passagem da forma sólida à de vapor de forma direta REPRESENTAÇÃO 3D ESTADOS SATURADOS Tabela A4 Propriedade da agua saturada como entrada a temperatura Tabela A5 Propriedade da agua saturada como entrada a pressão Estados de líquido e vapor saturados da água nos diagramas Tv e Pv MISTURA SATURADA Título x Razão entre a massa do vapor pela massa total da mistura MISTURA SATURADA MISTURA SATURADA Título x Razão entre a massa do vapor pela massa total da mistura VAPOR SUPER AQUECIDO Comparado ao vapor saturado o vapor superaquecido é caracterizado por Tabela A6 Propriedade da agua no estado de vapor super aquecido VAPOR SUPER AQUECIDO Tabela A6 Propriedade da agua no estado de vapor super aquecido LIQUIDO COMPRIMIDO Tabela A7 Propriedade da agua no estado de líquido comprimido Líquido comprimido é caracterizado por As propriedades do líquido comprimido dependem muito mais da temperatura do que da pressão Um líquido comprimido pode ser aproximado como um líquido saturado a uma determinada temperatura LIQUIDO COMPRIMIDO Uma relação mais precisa para h Um líquido comprimido pode ser aproximado como um líquido saturado a uma determinada temperatura 340