1. 1- Resumo histrico Embora os princpios da termodinmica existamdesde a criao do universo, a termodinmica ssurgiu como cincia aquando da construo dasprimeiras mquinas a vapor, em Inglaterra, porThomas Savery em 1697 e Thomas Newcomem em1772. Estas mquinas eram muito lentas e ineficientesmas abriram o caminho para o desenvolvimentodesta cincia nova.

2. A primeira e a segunda leis da termodinmica surgiram simultaneamente por volta de 1850, principalmente atravs dos trabalhos de William Rankine, Rudolph Clausius e Lord Kelvin (anteriormente William Thompsom). O termo termodinmica foi usado pela primeira vez por Lord Kelvin numa publicao de 1849. O primeiro compndio de termodinmica foi escrito em 1859 por William Rankine, ento professor na Universidade de Glasgow. 3. Termodinmica e energia A termodinmica pode ser definida como a cinciada energia. Embora se tenha a percepo do que energia, difcil defini-la com preciso, a energia pode servista como a capacidade de provocar alteraes. A palavra termodinmica advm das palavrasgregas therme (calor) e dynamis (potncia), sendoa melhor descrio os primeiros esforos paraconverter calor em potncia. 4. Hoje em dia, este termo utilizado para incluir todos os aspectos relacionados com a energia e as suas transformaes, incluindo a sua produo, refrigerao e relaes existentes entre propriedades da matria. 5. Uma das principais leis da natureza o princpio de conservao de energia. Este estabelece que durante uma interaco a energia pode mudar de forma, mas que a quantidade total permanece constante, ou seja, a energia no pode ser criada ou destruda. 6. A primeira lei da termodinmica expressa o princpio de conservao da energia e estabelece que a energia uma propriedade termodinmica. A segunda lei da termodinmica estabelece que a energia tem qualidade e quantidade, e que os processos reais ocorrem na direco da qualidade decrescente da energia. 7. A lei zero da termodinmica estabelece que, se dois corpos esto em equilbrio trmico com um terceiro corpo, eles esto tambm em equilbrio trmico entre si. 8. reas de aplicao da termodinmica No necessrio procurar muito para encontrar aplicaes da termodinmica. Estas esto inseridas nas nossas vidas quotidianas. Um lar comum , em certos aspectos um mostrurio das maravilhas da termodinmica Muitos utenslios e electrodomsticos so desenhados, em parte ou como um todo, com base nos princpios termodinmicos. 9. Alguns exemplos so: os electrodomsticos a gs ou elctricos, aparelhos de aquecimento ou refrigerao, o frigorfico, o desumidificador, a panela de presso o esquentador, o chuveiro, o ferro de engomar e at o computador, a televiso e vdeo. 10. Numa escala maior, a termodinmicadesempenha um papel mais vasto noprojecto e anlise de motores de combustointerna, foguetes, motores a jacto e centraiselctricas convencionais ou nucleares. Devemos tambm mencionar o corpohumano como uma rea de aplicao datermodinmica, pelo facto de transformar aenergia qumica dos alimentos em energiamecnica ou energia calorfica. 11. Definio de temperatura Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, difcil encontrar-se uma definio exacta para ela. Devido a essas dificuldades para definir temperatura, definimos igualdade de temperaturas. 12. Consideremos dois blocos de cobre, um quente e outro frio, cada um em contacto com um termmetro de mercrio. Se colocarmos esses blocos em contacto trmico, verificamos que a resistncia elctrica do bloco quente decresce e a do bloco frio cresce com o tempo, o mesmo acontecendo com as dimenses e temperaturas dos blocos 13. Podemos dizer, portanto, que os dois corpos possuem igualdade de temperatura, quando nenhuma mudana ocorre em qualquer das propriedades observveis, quando eles esto em contacto trmico. 14. A lei zero da termodinmica estabeleceque, se dois corpos esto em equilbriotrmico com um terceiro corpo, eles estotambm em equilbrio trmico entre si. Ao substituir-se o terceiro corpo por umtermmetro, a lei zero pode ser escritacomo: dois corpos esto em equilbriotrmico se ambos apresentarem o mesmovalor de medio de temperatura, mesmoque no estejam em contacto. 15. Escalas de temperatura As escalas de temperatura permitem utilizar uma base comum para medies, tendo sido desenvolvidas diversas ao longo do tempo. Todas elas baseadas em estados da matria facilmente reproduzveis, tais como o ponto de fuso e de ebulio da gua. 16. Valores nas diversas escalas para ospontos de ebulio e fuso da gua presso de 1 atm e do zero absoluto 17. Escala Celsius presentemente a mais utilizada(anteriormente designada escala Centgrada) (C) Escala Raumur muito pouco utilizada (R) Escala Fahrenheit utilizada pelo sistema ingls (F) Escala Kelvin a escala termodinmica utilizada no SI (K) Escala Rankine a escala termodinmica utilizada pelosistema ingls (R) 18. Equivalncias entretemperaturas 19. Termmetros Tipos de termmetros Capilares com lquido ; Termstores Resistencia de platina; Termopares Bimetlicos ; Presso de vapor Termo-higrmetro; Fita indicadoraautocolante Termmetros especiais ; Registadores detemperatura 20. Capilares com lquido estes termmetros baseiam-se na expansibilidade dos lquidos quando sujeitos a aumentos de temperatura. So construdos normalmente, por um tubo capilar, em vidro, ligado a um bolbo com lquido apropriado. Uma escala ao longo do tubo, devidamente calibrada, permite a leitura directa da temperatura. 21. O tipo mais comum o de mercrio. Devido grande fragilidade deste, no deveser utilizado em aplicaes onde sejaperigoso o derrame de mercrio, como seja aindstria alimentar. Outro fludo correntemente utilizado olcool que sendo mais barato pode tambmser utilizado a temperaturas inferiores s domercrio. 22. De resistncia de platina a resistividadeelctrica dos metais varia com atemperatura. O nquel, o cobre e o tungstnio soexemplos de metais utilizados para esseefeito. No entanto a platina o metal que apresentamelhores caractersticas, pois apresenta umarelao resistividade temperatura muitolinear e estvel (no tempo). 23. Tm uma resoluo melhor do que 0,1 C e devido largura de banda e grande exactido de resposta so considerados instrumentos padro para calibrao de outros instrumentos de medio de temperatura. 24. Termstores a resistividade de certos materiais no metlicos pode, tambm variar com a temperatura, fenmeno que pode ser aproveitado para medir este parmetro. Um termstor constitudo por um material semi-condutor com a propriedade referida. 25. Como se podem construir termistores muito pequenos, os seus tempos de resposta so virtualmente instantneos pelo que podem ser utilizados com vantagens para efectuar medies de substncias com rpidas variaes de temperatura, sem erros apreciveis. 26. Termopares as diferenas de temperatura entre dois metais diferentes criam uma diferena de potencial que produz uma corrente elctrica, designada por corrente de Seebeck. Tm grande sensibilidade, fcilmonitorizao, pequenas dimenses econsequentemente pequena capacidade calorfica, possibilidade de utilizao numa larga banda de temperaturas (+2000 C a 200 C). 27. Bimetlicos estes termmetros baseiam-se no fenmeno de dilatao dos slidos quando sujeitos a um aumento de temperatura. Assim se dois metais com diferentes coeficientesde expanso trmica estiverem ligados entre si esujeitos a aquecimento iro deformar-se. utilizado em larga escala na indstria devido sua robustez, apesar de no oferecer grandeexactido. 28. De presso de vapor este tipo deinstrumento de medida constitudo porum bolbo metlico parcialmente cheio comum lquido termomtrico ligado por umtubo de pequeno dimetro, a um aparelhoque converta presso em deslocamento dumponteiro. A variao da temperatura do bolbo temcomo consequncia o aumento da pressode vapor a qual pode ser lida no aparelho demedida j convertida em temperatura. 29. Termo-higrmetros composto por um termmetro de bolbo seco e um outro de bolbo hmido. Da diferena de temperaturas entre ambos determina a humidade relativa existente no ar. 30. Fita indicadora autocolante este tipo defita utilizado quando se quer um registopermanente ou quando o acesso ao processoa medir no possvel durante a operao. O indicador consiste numa substncia cujacolorao depende da temperatura. Este indicador tem o defeito de serirreversvel (no pode voltar a ser utilizado). 31. Termmetros especiais existem termmetros e pirmetros por infra vermelhos e pirmetros pticos. (pirmetros so utilizados na medio de temperaturas muito elevadas por exemplo fundio de metais). 32. Registadores de temperatura esto associados a termmetros e efectuam o registo contnuo das temperaturas normalmente atravs de um grfico em papel e mais recentemente atravs de registo informtico. 33. Unidades de presso e fatores de conversoPabar atatm Torrpsi1 Pa 1 N/m= 105 bar 10,2106 at 9,87106 atm 7,5103 Torr 145106 psi1 bar= 100 000 Pa 106 dyn/cm 1,02 at 0,987 atm 750 Torr 14,504 psi 1 at= 98 066,5 Pa = 0,980665 bar 1 kgf/cm 0,968 atm 736 Torr 14,223 psi1 atm= 101 325 Pa= 1,01325 bar 1,033 at 101 325 Pa = 760 Torr 14,696 psi1 Torr 133,322 Pa 1,333103 bar 1,360103 at 1,316103 atm 1 mmHg 19,337103 psi1 psi 6894,757 Pa 68,948103 bar 70,307103 at 68,046103 atm 51,7149 Torr 1 lbf/in 34. A influncia do calor nos corpos Quando elevamos a temperatura dum corpo ele dilata-se. Quando baixamos a temperatura dum corpo ele contrai-se. esta variao que nos permite avaliar a temperatura dumcorpo. Para isso usam-se termmetros, nos quais se emprega umcorpo tal que a cada valor de temperatura corresponde ums valor de volume. Quer dizer, tal corpo apresenta uma dilatao regular, isto, uma dilatao proporcional elevao de temperatura. 35. Calor sensvel e latente Quando um corpo recebe ou cede calor, ocorre uma transformao: Variao de temperatura ou mudana de estado fsico. No primeiro caso, dizemos que se trata de calor sensvel e no segundo de calor latente. 36. Exemplo: Ao aquecermos gua num recipiente, pressoatmosfrica, a gua vai aumentando a suatemperatura at atingir os100 C (calor sensvel). Se continuar-mos a fornecer calor gua elamantm-se nos 100 C, mas muda de fase, ou sejatransforma-se em vapor, (calor latente). Que no caso da gua nestas condies de 2257,1kJ/kg. 37. Diferena entre sensao e temperatura Se tocarmos numa rgua metlica e numa de madeira que se encontrem colocadas sobre uma mesa. A rgua metlica parece mais fria que a de madeira, embora ambas estejam mesma temperatura. 38. Matria feita de partculas (tomos, molculas) que esto sempre em movimento desordenado (vibrao em torno de uma posio mdia). Portanto tm uma energia cintica mdia diferente de zero (mesmo que a matria esteja parada). Temperatura mede essa energia cintica mdia. Calor a transmisso dessa energia (cintica); energia em movimento. Calor energia, portanto mede-se em J ou cal. 39. Celcius ou centgrados (C): 0 C = gelo, 100 C = vapor.Qual a temperatura quando no h nenhummovimento?Zero absoluto: -273 C. No h temperatura menor.Escala kelvin (K):K = C + 273C = K - 273 40. Capacidade CalorificaQuantidade de calor armazenado 41. Substncia Pura Uma substncia que tenha a mesma composio qumica em todo seu volume chamada substncia pura. A gua, o azoto, o hlio e o dixido de carbono so exemplos de substncias puras. 42. Contudo, uma substncia pura no tem de ser de um nico elemento qumico ou composto. Uma mistura de elementos qumicos ou compostospode ser qualificada como substncia pura desdeque a mistura seja homognea. Por exemplo, o ar uma mistura de diversos gases,sendo vulgarmente considerado como umasubstncia pura, visto ter uma composio qumicauniforme 43. Porm, uma mistura de leo e gua no pode ser considerada, visto que ambos no so solveis, acumulando-se o leo superfcie, formando-se duas regies quimicamente dissimilares. 44. A mistura de duas ou mais fases de uma substncia pura continua a ser uma substncia pura desde que a composio qumica de todas as fases seja a mesma (Figura 2-2). Por exemplo, a mistura de gelo e gua lquida uma substncia pura, porque ambas as fases tm a mesma composio qumica. 45. A mistura de ar lquido e gasoso no uma substncia pura visto que ambos apresentam composies qumicas diferentes, no sendo a mistura quimicamente homognea. Isto deve-se a os componentes do ar terem temperaturas de condensao diferentes a uma dada presso. 46. Fases de uma substncia pura Todos sabemos por experincia prpria que assubstncias existem em fases diferentes. presso e temperatura ambiente, o cobre umslido, o mercrio um lquido e o azoto um gs. Embora existam trs fases principais - slido, lquidoe gasoso -,uma substncia pode ter diversas fasescontidas numa principal, cada uma com umaestrutura molecular diferente. 47. Quando se estudam as fases ou as suas mudanas em termodinmica, no necessrio preocupar-se com a estrutura molecular e o seu comportamento. Contudo, muito til ter-se algum conhecimento dos fenmenos moleculares envolvidos em cada fase, e uma discusso das suas transformaes apresentada em seguida. 48. As ligaes moleculares so mais fortes nos slidos e mais fracas nos gases. Uma das razes que as molculas no primeiro caso encontram-se mais prximas umas das outras, enquanto que nos gases exibem mais espao entre elas. 49. As molculas num slido esto dispostas segundo umpadro tridimensional (malha) que se repetecontinuamente (Figura 2-3). 50. Devido s pequenas distncias intermoleculares, as forasde atraco so grandes, mantendo as molculas emposies fixas (Figura 2-4). 51. Note-se que as foras de atraco tornam-serepulsivas medida que a distncia entre molculasse aproxima de zero, evitando o seu contacto. Embora as molculas num slido no possammover-se umas em relao s outras, elas oscilamcontinuamente em torno das suas posies de equilbrio. Durante estas oscilaes, a velocidade das molculasdepende da temperatura. 52. A valores suficientemente altos, a velocidade (e asua inrcia) pode chegar ao ponto em que asligaes intermoleculares so quebradas, e gruposdestas libertam-se. Este o incio do processo de fuso. O espao intermolecular da fase lquida no difereda fase slida, exceptuando o facto de as molculas no se encontrarem em posies relativas fixas. 53. Num lquido, blocos de molculas flutuam umasem relaes s outras; contudo as molculasmantm uma estrutura ordenada no seio de cadabloco, retendo as suas posies relativas originais. As distncias entre molculas apresentamgeralmente um ligeiro aumento quando um slido se transforma num lquido, sendo a gua uma rara excepo. 54. Numa fase gasosa, as molculas esto distanciadas de tal forma que no existe qualquer ordenamento. As molculas de um gs movem-se de forma aleatria, colidindo continuamente entre elas e com a parede do reservatrio que as contm. 55. A uma baixa massa volmica, as forasintermolculares so muito reduzidas, sendo ascolises a nica forma de interaco entre asmolculas. Na fase gasosa, as molculas apresentam-se num nvel de energia consideravelmente superior em relao s fases slida ou lquida. Assim sendo, um gs tem de libertar uma grandequantidade de energia quando se condensa oucongela. 56. Processos de mudana de fase de substncias puras Existem diversas situaes correntes em que duas fases de uma substncia pura coexistem em equilbrio. A gua existe como mistura de lquido e vapornuma caldeira ou num condensador de umacentral trmica. Um fluido frigorignio passa de lquido a vapor num congelador de um frigorfico. 57. Embora se considere a passagem do estado liquido a slidocomo a fase mais importante, vamos incidir a ateno sobre asfases lquidas, de vapor e na mistura das duas.Sendo familiar, a gua ir ser utilizada para demonstrar osprincpios bsicos envolvidos 58. Lquido comprimido e lquido saturadoConsidere um dispositivo cilindro-mbolo contendogua lquida a 20 C e presso de 1 atm . 59. Sob estas condies a gua existe na fase lquida, sendo chamada lquido comprimido ou lquido subarrefecido, estando distante do ponto de vaporizao. Transfere-se calor para a gua at que a suatemperatura suba, por exemplo, at aos 40 C. medida que a temperatura se eleva, a gualquida dilata ligeiramente, implicando umaumento de volume especfico. 60. De forma a acomodar esta expanso, o mbolodesloca-se para cima. Durante este processo, a presso no interior docilindro permanece constante a 1 atm, visto que depende da presso baromtrica exterior e do peso do mbolo, ambos constantes. A gua permanece no estado de lquido comprimido, visto que no se iniciou a vaporizao. 61. medida que se transfere mais calor, a temperatura ir aumentar, atatingir 100 C .Nesta altura, a gua encontra-se ainda lquida, mas qualquer adio decalor provocar a vaporizao de uma parte do lquido, ou seja, oprocesso de mudana de fase de lquido para vapor est prestes aacontecer.Um lquido prestes a vaporizar denomina-se lquido saturado. Assim, oestado 2 representa o estado de lquido saturado. 62. Vapor saturado e vapor sobreaquecido Uma vez iniciada a ebulio, a temperatura deixade aumentar at que o lquido seja completamentevaporizado. Isto , a temperatura ir permanecer constantedurante todo o processo de mudana de fase, desdeque no se altere a presso. Isto pode ser facilmente verificado ao colocar-seum termmetro dentro de um recipiente contendo gua a ferver. 63. Ao nvel do mar (P = 1 atm), o termmetro indicarsempre 100 C, se o recipiente estiver destapado ou comuma tampa leve. 64. Durante o processo de ebulio, a nica alteraoobservvel de um grande aumento de volume e deum decrscimo contnuo do nvel de lquido devidos transformao deste em vapor. A meio da linha de vaporizao (estado 3, Figura 2-8), o cilindro contm partes iguais de lquido e de vapor. medida que a transferncia de calor continua, o processo de vaporizao mantm-se, at que a ltima gota de lquido seja vaporizada (estado 4, Figura 2-9). 65. Neste ponto, todo o cilindro est cheio de vapor que se encontra na linha de fronteira da fase de lquido. Qualquer perda de calor provocar a condensao de algum vapor (mudana de fase de vapor para lquido). Ao vapor que se encontre prestes a condensar-se chama-se vapor saturado. 66. Assim, o estado 4 representa o estado de vapor saturado, e uma substncia que esteja entre o estado 2 e o 4 referida como uma mistura de lquido e vapor saturado, visto que as fases de lquido e de vapor coexistem em equilbrio. 67. Uma vez concludo o processo de mudana de fase,a substncia encontra-se de volta regio de fasenica (vapor), e qualquer posterior transferncia decalor ir resultar num aumento simultneo detemperatura e volume especfico (Figura 2-10) 68. No estado 5, tomando a temperatura de 300 C, sefor retirado algum calor, a temperatura ir descermas no ocorrer condensao, desde que esta semantenha acima de 100 C (para P = 1 atm). Ao vapor que no esteja prestes a condensar (isto, que no seja vapor saturado) chama-se vapor sobreaquecido (estado 5). 69. Diagrama de mudana de fase a presso constante 70. Todo o processo acima descrito pode ser invertidopelo arrefecimento da gua, mantendo a pressoao mesmo valor, retrocedendo at ao estado 1exactamente pelo mesmo caminho, libertando amesma quantidade de calor que se adicionou durante o processo de aquecimento. Na nossa vida quotidiana, a palavra gua implica gua lquida, e a palavra vapor implica vapor de gua. Contudo, em termodinmica, tanto gua como vapor traduzem um nico conceito: H2O. 71. Temperatura de saturao e presso de saturao Provavelmente, no foi surpresa referir que a guacomea a ferver a 100 C. Em termos estritos, a frase a gua ferve a 100 C incorrecta, sendo a exacta a gua ferve a 100 C, presso de 1 atm. A nica razo por que a gua inicia a ebulio a 100C porque se manteve a presso constante a 1 atm(101,325 kPa) 72. Se a presso no interior do cilindro fosseaumentada para 500 kPa, pela adio depeso colocado sobre o mbolo, a ebulioverificar-se-ia a 151,9 C. Ou seja, a temperatura qual a gua inicia aebulio depende da presso; assim, se apresso for mantida constante, o valor datemperatura de ebulio fixo. 73. A uma dada presso, a temperatura qual umasubstncia pura muda de fase denomina-setemperatura de saturao Tsat. De forma idntica, a uma dada temperatura, apresso qual uma substncia pura muda de fasedenomina-se presso de saturao Psat. presso de 101,325 kPa, Tsat de 100 C, e a estatemperatura Psat de 101,325 kPa. 74. As tabelas de saturao que indicam o valor dapresso em funo da temperatura (ou detemperatura em funo de presso) estodisponveis para praticamente para todas assubstncias. Esta indica que a presso que corresponde a umamudana de fase (ebulio ou condensao) a 25 C deve ser de 3,17 kPa e que a presso deve ser mantida a 3973 kPa (cerca de 40 atm), de forma a ferver a 250 C. 75. possvel congelar a gua, reduzindo a presso para 0,61 kPa. 76. necessria uma grande quantidade de energiapara fundir um slido ou vaporizar um lquido. Esta quantidade de energia libertada ou absorvidadurante o processo de mudana de fase chamadacalor latente. Mais especificamente, a quantidade de energiaabsorvida durante o processo de fuso chama-secalor latente de fuso e equivalente quantidadelibertada durante o congelamento. 77. De forma anloga, a quantidade de energiaabsorvida durante a vaporizao denomina-secalor latente de vaporizao e equivalente energia libertada durante a condensao. As magnitudes dos calores latentes dependem datem-peratura ou da presso qual a mudana defase ocorre. presso de 1 atm, o calor latente de fuso da gua de 333,7 kJ/kg, o calor latente de vaporizao de2257,1 kJ/kg. 78. Durante o processo de mudana de fase, a pressoe a temperatura so obviamente propriedadesdependentes, existindo uma relao definida entreambas, sendo Tsat = f(Psat). O traado da curva de Tsat vs. Psat tal como o exemplo dado para a gua (Figura 2-12), chamado curva de saturao lquido-vapor. Uma curva deste tipo caracterstica de todas assubstncias puras. 79. Nota-se que Tsat aumenta com Psat.Ento, uma substncia a presses elevadas ir fervertambm a temperaturas elevadas 80. Na cozinha, temperaturas de ebulio superiorestraduzem-se em menor tempo de preparao dealimentos e poupana de energia. Por exemplo, um cozinhado poder demorar 1 a 2 hnuma panela normal, presso de 1 atm, enquantoque este tempo pode ser reduzido para apenas 20 a30 min numa panela de presso, presso absolutade 2 atm (que corresponde a uma temperatura deebulio de 120 C). 81. A presso atmosfrica e a temperatura de ebulioda gua decrescem com a altitude. Assim, ir demorar mais tempo cozinhar aaltitudes mais elevadas do que ao nvel do mar (amenos que se utilize uma panela de presso). Por exemplo, a presso atmosfrica padro a umaaltitude de 2000 m de 79,50 kPa a quecorresponde uma temperatura de ebulio de 93,2 C, enquanto que, ao nvel do mar, esta verifica-se a 100 C. 82. A variao da temperatura de ebulio da gua com a altitude, presso atmosfrica padro, apresentada na Tabela 2-2. Para cada incremento de 1000 m de altitude, a temperatura de ebulio decresce pouco mais de 3 C 83. Variao da Presso Atmosfrica com a altitude 84. Algumas consequncias da dependncia entre Tsat e PsatFoi mencionado anteriormente que uma substncia a uma dada presso ir entrar em ebulio temperatura de saturao que corresponde a essa presso.Este fenmeno permite o controlo da temperatura de ebulio de uma substncia atravs da presso, tendo inmeras aplicaes prticas, das quais sero apresentados alguns exemplos.Na maioria dos casos encontra-se presente o processo natural de evaporao de algum lquido, de modo a manter o equilbrio. 85. Considere-se um reservatrio selado contendofluido frigorigneo134a num ambiente a 25 C. Seeste reservatrio permanecer neste recinto duranteum perodo de tempo suficiente, o fluido contido ir estar mesma temperatura ambiente. Se o reservatrio for aberto lentamente, e algumfluido for libertado no processo, a presso nointerior ir baixar, de modo a igualar o valor doambiente. 86. Uma pessoa que esteja a segurar o reservatrio irsentir a temperatura a diminuir e, se o ar estiverhmido, gelo a formar-se nas paredes. Um termmetro no interior do reservatrio irmarcar -26 C enquanto a presso desce para 1 atm, que corresponde temperatura de saturao presso dada. Este valor de temperatura ir manter-se, at quetodo o lquido se evapore. 87. Um outro aspecto deste fenmeno fsicointeressante que o lquido no pode evaporar-se, a menos que absorva energia sob a forma de calor latente de evaporao cujo valor de 217 kJ/kg para o fluido frigorigneo 134a a 1 atm. Assim, a taxa de vaporizao do fluido depende dataxa de transferncia de calor para o reservatrio: Quanto maior for esta, maior ser a evaporao. 88. A transferncia de calor, e consequentemente a taxa de evaporao do fluido, pode ser minimizada atravs do isolamento trmico do reservatrio. No caso limite de no existir transferncia de calor, o fluido ir permanecer indefinidamente como um lquido a -26 C. 89. Arrefecimento a vcuo Um processo expedito de refrigerao de vegetais atravs de arrefecimento por vcuo, que consiste na reduo da presso de uma cmara vedada at presso de saturao correspondente ao valor da temperatura desejada. Este processo evapora alguma gua dos produtos aserem arrefecidos atravs da absoro de calor,reduzindo a sua temperatura. 90. A presso de saturao da gua a 0 C 0,61 kPa eos produtos podem ser arrefecidos at 0 C pelo abaixamento da presso at este valor. A velocidade de arrefecimento pode ser aumentada ultrapassando o valor dado de presso. No entanto no muito aconselhvel, pois existe operigo de congelamento e de maior consumo deenergia. 91. Neste processo existem duas fases distintas. Na primeira, os produtos temperatura ambiente, por exemplo a 25 C, so introduzidos numa cmara cuja temperatura permanece constante at que se atinja a presso de saturao, que para 25 C corresponde a 3,17 kPa. 92. Na fase seguinte, as condies de saturao so mantidas a presses gradualmente mais baixas que correspondem a temperaturas mais baixas, at que o valor desejado seja alcanado 93. Este processo de arrefecimento geralmente mais oneroso que o arrefecimento convencional, e a sua utilizao limitada a aplicaes que necessitem de um arrefecimento muito mais rpido. Produtos com grande superfcie por unidade de massa e elevada tendncia para libertar gua, so apropriados para o arrefecimento por vcuo. 94. O processo acima descrito transforma-se em congelamento por vcuo se a presso na cmara for reduzida abaixo de 0,6 kPa que corresponde presso de saturao da gua a 0 C. Atravs deste processo possvel produzir gelo pela utilizao de uma bomba de vcuo. 95. A embalagem de gelo um processo vulgarmente utilizado em arrefecimentos de pequena escala, de forma a retirar calor mantendo os produtos frescos durante o transporte, aproveitando o elevado calor latente de fuso da gua. O gelo fornece, alm de refrigerao, tambm humidificao. 96. 3 - Compressibilidade dos gases Todos os gases so compressveis. Os gases tm um comportamento diferente a uma dada temperatura e presso, mas apresentam o mesmo comportamento s mesmas temperaturas e presses normalizadas com base no ponto crtico. 97. Variveis que afectam o comportamento dos gases Como ns j sabemos um gs tem a tendncia natural para ocupar todo o espao que tem disponvel, devido fraca coeso existente entre as molculas que o compem. Dentro dum espao fechado (ou seja mantendo o volume constante), um gs comporta-se da seguinte forma: 98. Se lhe aumentarmos a temperatura aumenta a presso. Se lhe aumentarmos a presso aumenta a temperatura. 99. Se fixarmos a presso (ou seja mantendo apresso constante) Se aumentarmos a temperatura o volumeaumenta. Se diminuirmos a temperatura o volumediminui. 100. Se fixarmos a temperatura (ou seja mantendo constante a temperatura) Se aumentarmos a presso o volume diminui. Se diminuirmos a presso o volume aumenta. 101. Neste caso podemos constatar que as variveis que afectam o comportamento dos gases so: Volume Presso Temperatura 102. Lei de Boyle Mariotte No sculo XVll, Boyle (ingls) e Mariotte (francs),simultaneamente, encontraram uma relao entrea presso e o volume de um gs quando a suatemperatura era mantida constante. Eles verificaram que, quando um gs comcomportamento prximo do ideal, era submetidoa vrias presses, mantendo constante atemperatura, o seu volume variava. 103. Como consequncia enunciaram uma lei por ns co nhecida como lei de Boyle-Mariotte. PV = KT = constanteMantendo constante a temperatura, os volumes de uma dada massa de gs variam na razo inversa das presses que suportam. 104. Assim se considerarmos dois estados de uma certamassa de gs tais que:Estado 1 (p1, V1, T)Estado 2 (p2, V2, T) Teremos, segundo esta lei. p1 V1 = p2 V2 105. Num gs real a constante de proporcionalidade (K)depende no s da natureza do gs, mas tambmda massa da amostra. Na figura seguinte est representado o modo comoo volume de uma certa massa de um gs varia com a presso. 106. Como esta lei se refere a transformaes isotrmicas(T = constante), cada representao grfica diz respeitoa uma temperatura e a respectiva linha designa-se porisotrmica. 107. Leis de Charles e Gay-Lussac Estes dois fsicos franceses encontraram as relaes - volume - temperatura e presso de uma dada massa de gs, mantendo constante a outra varivel de estado. Surgiram, assim, duas novas leis, conhecidas com o nome dos fsicos que as enunciaram. 108. 1. Lei de Charles e Gay-Lussac para transformaes isobricas Mantendo constante a presso, o volume de umadada massa de gs varia na razo directa datemperatura. Assim, se considerarmos os estados Estado 1 (p, V1, T1)Estado 2 (p, V2, T2)Teremos, segundo esta lei. V1/V2 = T1/T2 p = constante 109. representao grfica desta lei 110. 2. Lei de Charles e Gay Lussac para transformaes isovolmicas Mantendo constante o volume, a presso de umadada massa de gs varia na razo directa datemperatura.Assim, se considerarmos os estados: Estado 1 (p1, V, T1) Estado 2 (p2, V, T2)Teremos, segundo esta lei.p1/p2 = T1/T2v= constante 111. Descrio dos aparelhos de medida do vazio presso real num dado local chama-se pressoabsoluta e medida em relao ao vcuo absoluto,ou seja em relao presso zero absoluta. A maioria dos aparelhos de medio de presso so calibrados de forma a o zero corresponder presso atmosfrica, indicando assim a diferena entre a presso absoluta e a presso atmosfrica local. Este valor representa a presso manomtrica. 112. presso inferior atmosfrica, chama-se depresso, e medida com medidores de vcuo que indicam a diferena entre a presso atmosfrica e a presso absoluta. Presso absoluta, manomtrica e depresso tm sempre valores positivos e esto relacionadas entre si atravs de: 113. Pmanomtrica = Pabs Patm (para presses acima de Patm) Pdepresso = Patm Pabs (para presses abaixo de Patm) 114. 4 - Gases ideais Quando estamos perante uma certa amostra de gs, contendo um certo nmero de moles, n, a cada conjunto de valores de presso, temperatura e volume corresponde um estado termodinmico do gs. 115. Verifica-se que em determinadas condies termodinmicas todos os gases, tendem para um determinado comportamento que, no entanto, nunca atingido - comportamento ideal. Admitimos assim que um gs que tivesse essecomportamento seria um gs ideal. Quando os gases reais se encontram em condiesprximas das de um gs ideal, podemos sem grandeerro trat-los como tal. 116. Microscopicamente um gs ser ideal quando: 1 O volume efectivo das suas molculas desprezvel, comparado com o volume que o gs ocupa; 2 As foras intermolculares so nulas. Macroscopicamente um gs real tem comportamento prximo do ideal, quando se encontra a baixa presso e temperatura elevada. 117. Conceito de gs perfeito Os gases que normalmente conhecemos como, por exemplo, o hlio, o nitrognio e o oxignio, apresentam caractersticas moleculares diferentes e particulares de cada um. Contudo, se colocarmos todos eles a altas temperaturas ou baixas presses eles passam a apresentar comportamentos muito semelhantes. 118. Essa aproximao cada vez melhor quanto menorfor a presso e maior a temperatura. Esse modelo de gs designado por gs perfeito. Variveis de estado de um gs perfeito: So grandezas fsicas macroscpicas quedescrevem o comportamento de um gs, so elas: Presso (P), Temperatura (T) e Volume (V) 119. Obteno do zero na escala termomtrica de Kelvin 120. Em termodinmica, desejvel conhecer umaescala de temperatura que seja independentedas propriedades de uma dada substncia. A esta chama-se escala de temperaturatermodinmica. No SI, a escala de temperatura termodinmica a escala Kelvin. 121. Uma escala de temperatura idntica escala Kelvin a escala de temperatura de gs perfeito. As temperaturas nesta escala so medidas atravs de um termmetro de gs a volume constante que basicamente um reservatrio rgido repleto de hidrognio ou hlio a uma baixa presso 122. Este termmetro baseia-se no princpio deque, a baixas presses e a um volumeconstante, a temperatura de um gs proporcional sua presso. Isto , a temperatura de um gs a um volumeconstante varia linearmente com a presso,se esta for suficientemente baixa. 123. Presso atmosfrica 124. Experincia de Torricelli Torricelli, no sculo XVll, descobriu comodeterminar a presso. Com mercrio, uma tina e um tubo de vidro de ummetro de comprimento, realizou uma experinciaque serviu de fundamento aos barmetros demercrio. Torricelli encheu o tubo com mercrio e tapando-ocom um dedo, inverteu-o dentro da tina, que tambm continha aquele lquido. 125. Observou que o nvel de mercrio baixou no tubo, ficando estacionrio a uma altura do nvel na tina de cerca de 76 cm. Dentro do tubo, na regio onde no ficou mercrio, fez-se vcuo.patm = gh 126. Desta expresso podemos concluir que a altura da coluna de mercrio variar na razo directa da presso atmosfrica. A maior presso atmosfrica obtida ao nvel do mar (altitude nula). Para qualquer outro ponto acima do nvel do mar, a presso atmosfrica menor. 127. variao da presso atmosfrica de acordo com a altitude 128. Esttica dos fluidos No nosso estudo, consideramos fluido toda asubstncia que macroscopicamente apresenta apropriedade de escoar. Os fluidos podem ser lquidos ou gases. Enquanto os lquidos apresentam volume prprio eforma varivel, os gases alm da forma varivel,apresentam volume varivel (adaptam-se ao volumedo recipiente). 129. Massa especifica A massa especifica, massa volmica ou densidadeabsoluta, , de uma substncia a massa porunidade de volume dessa substncia. = m/V A unidade SI o (kg/m). Enquanto, nos slidos e lquidos, a massaespecfica pode ser considerada, praticamenteconstante, nos gases ela pode apresentar grandesvariaes. 130. Peso especifico Peso especifico ou peso volmico, = g = massa especifica g = acelerao da gravidade (g = 9,81 m/s)A unidade SI o (N/m) 131. Densidade relativa Chama-se densidade relativa (d) razo entre amassa de um certo volume duma substncia e amassa de igual volume de outra substncia tomadapara termo de comparao. dAB = mA/mB Esta grandeza adimensional ( a razo entre duasmassas). 132. Presso uma fora por unidade de rea.p = F/A No SI, a unidade de presso o newton por metroquadrado, denominada Pascal (Pa). 1N/m = 1Pa 133. Presso absoluta medida em relao ao vcuo absoluto, ou seja, em relao presso zero absoluta. 134. Presso manomtrica a diferena entre a presso absoluta e a pressoatmosfrica. A maioria dos aparelhos de medio de presso socalibrados de forma a o zero corresponder presso atmosfrica local. pman = pabs patm 135. Depresso medida com medidores de vcuo queindicam a diferena entre a pressoatmosfrica e a presso absoluta.pdep = patm pabs 136. Presso de saturao A uma dada temperatura, a presso qualuma substncia pura muda de fase denomina-se presso de saturao. 137. Transmisso de calor Sempre que existe diferena de temperatura existe transferncia de calor. O sentido do fluxo de calor sempre das temperaturas mais elevadas para as mais baixas. relativamente fcil medir as temperaturas. Sabendo as temperaturas possvel saber os fluxos de calor. Transmisso de calor: estudo dos fluxos de calor sabendo a temperatura e vice versa. 138. O conhecimento dos fluxos de calor e temperaturas importante para: Refrigerao, Aquecimento. Motores Caldeiras, Fornos, etc. 139. Existem trs mtodos de transmisso de calor:ConduoConvecoRadiao Normalmente a transmisso de calor umacombinao dos trs mtodos. 140. Conduo Processo de transferncia de calor que ocorre em corpos slidos e lquidos em repouso. Lei bsica da transferncia de calor, chamadade lei de Fourier da conduo de calor, emhomenagem ao fsico e matemtico francs Joseph Fourier. 141. Conveco Processo de transmisso de calor que ocorre no interiorde um fluido. A diferena em relao conduo que o fluido move-se transportando consigo o calor. Conveco natural: o fluido move-se unicamentedevido a diferenas de densidade motivadas pordiferenas de temperatura. Conveco forada: o fluido move-se por aco deforas exteriores. 142. A conveco um fenmeno difcil de estudar: Omovimento do fluido influencia as temperaturase estas por sua vez influenciam o movimento dofluido. Transferncia de calor entre um fluido e um slido por conveco: Fluxo de calor q(W/m) = h (temperatura slido Temperatura fluido) h = coeficiente de transferncia de calor por conveco(W/mC) 143. O clculo do fluxo de calor fcil. A determinao do h difcil (meiosexperimentais). O coeficiente de conveco depende: da geometriado slido, das temperaturas, das caractersticas do escoamento e das caractersticas do fluido. O valor de h determinado experimentalmentepara configuraes simples. No entanto o erro pode ser aprecivel se as condies no forem exactamente iguais. 144. Exemplos: Conveco naturalh: 5 30 W/mC Conveco forada (ar) h: 5 600 W/mC Conveco forada (gua) h: 250 15000W/mC 145. Lei de Newton Esta lei assume que a transmisso de calor entreparede e fluido aproximadamente proporcional diferena de temperatura da parede e a temperaturamdia do escoamento. q = h A (p f) q = transmisso de calor (W) A = rea da parede em contacto (m) p e f = temperaturas da parede e do fluido (C) h = coeficiente de transmisso de calor (W/mC) 146. Radiao O transporte de calor efectuado atravs da radiao electromagntica. No existe necessidade de um meio de transmisso de calor, pode ser transferida atravs do vcuo. Todos os corpos emitem radiao trmica, proporcional sua temperatura 147. Isolamentos Materiais estruturais possuem normalmente uma baixa condutividade trmica. Os isolamentos so normalmente materiais porosos, que devido elevada percentagem de ar (mau condutor de calor quando retido) que contm apresentam essa propriedade 148. A finalidade do isolamento reduzir as trocas trmicas indesejveis e manter a temperatura da parede exterior do recinto isolados, prximo da temperatura do ar ambiente de modo a evitar problemas de condensao de vapor de gua. A condutividade trmica, k, de um isolamento deve ser muito baixa. A seleco do isolamento influenciada pela temperatura a que vai funcionar. 149. Super isolamentos utilizados em temperaturas muito baixas, o ar tem que ser retirado do interior do isolamento. Infiltraes de gua no isolamento a gua devido sua elevada condutividade face ao isolamento, faz diminuir a resistncia passagem do calor, ou seja a resistncia trmica diminui. Soluo Evitar infiltraes de gua, protegendo oisolamento (chapa metlica). Utilizao de isolamentos com baixa permeabilidadeao vapor de gua. 150. Na indstria da construo por vezes usual utilizar a condutncia e design-la por K, que ns definimos como condutividade trmica: Const.) = K (condutividade)/e (espessura) sendo o valor em W/mC. 151. Isolamentos mais utilizados - L de vidro: constituda por fios finos de vidroobtidos a partir de vidro lquido derramado numjacto de vapor a alta velocidade. - Cortia: um material de origem vegetal que cortada em placas ou prensada em pedaos comelementos aglutinantes. - L mineral: fabrica-se a partir da escria dosaltos-fornos e contm grande quantidade de araprisionado. 152. - L de rocha. - Espuma de borracha: um material de estruturaporosa que apresenta ptimas qualidades para oisolamento de tubagens, sobretudo quando estasesto sujeitas a vibraes. - Poliestireno expandido - Poliestireno exturdido - Espuma de poliuretano 153. POLIESTIRENO EXTRUDIDO O poliestireno extrudido, tambem conhecido porXPS, e um produto sintetico proveniente dopetroleo e deriva da natureza, tal como o vidro, aceramica e os metais. A materia-prima deste material e o poliestireno,um polimero de estireno, que e extrudido e passa de um estado solido a um estado fundido, que depois arrefece e volta a um estado solido. 154. O poliestireno extrudido ou XPS tal como o EPS (expandido) tambem uma espuma rigida de poliestireno, mas diferencia-se do EPS por ser obtida por um processo de extrusao em continuo e por empregar outros gases expansores. A sua aplicacao corrente e como isolamento na construcao civil, apresentando-se sob a forma de placas coloridas azuis ou rosa. Condutividade termica: k= 0,035 W/mC (k baixo) 155. 6 - Definio de calor O calor definido como sendo a forma de energia transferida, atravs da fronteira de um sistema numa dada temperatura, a um outro sistema (ou meio), numa temperatura inferior, em virtude da diferena de temperatura, entre os dois sistemas. Isto , o calor transferido do sistema detemperatura superior ao sistema de temperatura inferior e a transferncia de calor ocorre unicamente devido diferena de temperatura entre os dois sistemas 156. Um outro aspecto dessa definio que um corpo nunca contm calor. O calor pode somente ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor um fenmeno transitrio. 157. Unidades de calor Joule Caloria Btu 1 cal = 4,18 J ; 1 Btu = 1055 J ; 1 Btu = 252 cal 158. Definio de unidades de calor Definio de caloria Caloria (cal) : a quantidade de energia (calor) necessria para elevar 1 C, a temperatura de 1 g de gua lquida, a uma temperatura mdia de 15 C. 159. Calor mssico Capacidade trmica mssica (calor especfico) de umasubstncia a quantidade de calor necessria paraelevar de 1 C a temperatura, por unidade de massadessa substncia.Q = m . cp . T Q = calor transferido (J) M = massa (kg) Cp = calor especfico (a presso constante) (J/kg . K)ou (J/kg . C)T = diferena de temperaturas (K) ou (C) 160. Calor Depende da existncia de T, ou seja tem que existirdiferena de temperaturas entre dois corpos. O seu sentido sempre das temperaturas mais altaspara as mais baixas Q > 0 calor transferido do exterior para o sistemaQ 0: Trabalho fornecido ao sistema (entra) Q < 0: Calor transferido do sistema (sai) Q > 0: Calor transferido para o sistema (entra) 175. Calor e energia mecnica Num sistema mecnico sempre que existe atrito, parteda energia mecnica perdida, ou no conservada. Diversas experincias mostram que essa energia nodesaparece, simplesmente se transforma em energiatrmica.Alguns exemplos prticos: - Calos e discos de traves - Ferramentas de corte e material a cortar - Pneus e a estrada - Mos e corda na descida rpida 176. Experincia de JouleO sistema considerado gua contida num vasotermicamente isolado.Faz-se trabalho sobre a gua mediante um rotor depalhetas, accionado por pesos que caem 177. A gua, agitada pelas palhetas do rotor, aquecidaem consequncia do atrito entre ela e as palhetas. Desprezando a energia perdida nos apoios derolamento e isolamento, ento a perda de energia potencial dos pesos ser igual ao trabalho feito pelo rotor sobre a gua. Se os dois pesos carem uma distncia h, a perda deenergia potencial ser 2mgh, e essa energia queaquece a gua. 178. Pela variao das condies da experincia, Jouleachou que a perda de energia mecnica, 2mgh, proporcional elevao da temperatura da gua,T. A constante de proporcionalidade encontrada igual a 4,18 kJ/kgC. Ento, 4,18 kJ de energia mecnica elevaro atemperatura de um kg de gua de 14,5 C para 15,5C. 179. Carnot Sadi Carnot, fsico francs, foi o primeiro amostrar relao quantitativa entre o trabalho e o calor. Carnot nasceu em Paris, em 1. De Junho de 1976. Em1824 publicou a sua nica obra Rflexions sur laPuissance Motrice du Feu et sur les machinesPropres a Dvelopper Cette Puissance. Carnot considerado o fundador da cinciatermodinmica, que afirma ser impossvel a energiadesaparecer, mas apenas se alterar de uma formapara outra. 180. Carnot mostrou que uma mquina trmica que operasse num ciclo ideal, reversvel, entre dois reservatrios trmicos, seria a mquina de maior rendimento possvel. Essa mquina ideal, denominada mquina de Carnot, estabelece um limite superior ao rendimento de todas as mquinas trmicas. Isto , o trabalho lquido efectuado por uma substncia operante que executa um ciclo de Carnot o maior trabalho possvel para uma dada quantidade de calor fornecida a esta substncia operante. 181. Ciclo de Carnot A mquina idealizada por Carnot composta pelosseguintes ciclos: 1. Expanso Isotrmica Reversvel retirando calor da fontequente; na temperatura mais alta T2. 2. Expanso Adiabtica Reversvel. 3. Compresso Isotrmica Reversvel cedendo calor fontefria; na temperatura mais baixa T1. 4. Processo de Compresso Adiabtica Reversvel; 182. Partindo do estado A, o gs sofre uma expansoisotrmica (isso significa que no h mudanadetemperatura) de A para B, recebendo uma quantidadede calor Q2 da fonte trmica de temperatura mais alta,tambm chamada fonte quente que est a umatemperatura T2. 183. Partindo do estado B, o gs continua a ser expandido,mas agora adiabaticamente (isto significa que no htroca de calor) at atingir o estado C.Apesar de no haver troca de calor, o gs arrefeceda temperatura mais alta T2 at atingir umatemperatura mais baixa T1. 184. Agora partindo do estado C, o gs comprimidoisotermicamente temperatura T1, at o estadoD, enquanto liberta uma parcela de calor Q1 para afonte trmica de temperatura mais baixa, tambmchamada de fonte fria. 185. A partir do estado D, o gs, atravs de umacompresso adiabtica retorna ao estado inicialA, durante a qual o gs aquece at temperaturainicial T2 sem troca de calor com o meio. 186. O ciclo Carnot completo 187. Teorema de Carnot O teorema de Carnot pode ser enunciado da seguinte forma: Nenhuma mquina real, operando entre dois reservatrios de calor, pode ser mais eficiente que uma mquina de Carnot que opere entre os mesmos dois reservatrios. 188. Transformaes isotrmicas So transformaes que ocorrem a temperaturaconstante, ou seja compresses ou expanses onde sealtera a presso e o volume, mantendo constante atemperatura.Transformaes adiabticas So transformaes que ocorrem a pressoconstante, ou seja compresses ou expanses onde sealtera a temperatura e o volume mantendo constante apresso. 189. Ciclo frigorfico e bomba de calor de Carnot Trabalho fornecido ao ciclo W = Qq Qf Eficincia do ciclo frigorfico de Carnot (f > 1) Eficincia do ciclo bomba de calor de Carnot (bc > 1) 190. Segundo principio da termodinmica (Carnot Clausius) Postulado de Clausius A transferncia de calor de um corpo frio para um corpo quente impossvel. Ou, ento: uma transformao cujo nicoresultado final fosse transferir calor de um corpo adada temperatura para outro corpo a temperaturamais elevada impossvel. 191. Esquema de ar condicionado 192. Turbina a vapor 193. Ciclo Otto 194. Processos reversveis e processos irreversveis Os processos reais ocorrem num sentidopreferencial. O calor passa espontaneamente de umcorpo quente para um corpo frio, quando ambosso postos em contacto, mas o processo inverso socorre quando h uma influncia externa. Quando um corpo escorrega sobre uma superfciecom atrito, acaba por atingir o repouso. A energia mecnica do corpo converte-se emenergia interna do corpo e da superfcie. 195. Tais processos unidireccionais so denominadosprocessos irreversveis. Em geral, um processo irreversvel quando osistema e as suas vizinhanas no poderemretornar aos respectivos estados iniciais. Um processo ser reversvel se o sistema passar doestado inicial at ao estado final, atravs de uma sucesso de estados de equilbrio. 196. Um processo reversvel tem que ocorrer quaseestaticamente. Alm disso, num processo reversvelno pode haver efeitos dissipativos que produzam calor. Outros efeitos que tendam a perturbar o equilbrio,como a conduo de calor provocada por diferenasde temperatura, tambm devem estar ausentes. Na realidade, impossvel eliminar completamente tais efeitos; por isso no surpreende que os processos na natureza sejam processos irreversveis. 197. No obstante possvel a realizao aproximada de processos reversveis, em experincias com cuidadoso controlo. O conceito de processo reversvel especialmente importante no estabelecimento dos limites tericos do rendimento de uma mquina trmica.