Termodinâmica Engenharia: Fundamentos e Princípios
Os fundamentos da termodinâmica de engenharia desempenham um papel importante na busca por um mundo melhor, através da melhoria no desempenho das instalações, equipamentos e seu design geral.
Fatores críticos na avaliação do desempenho dos equipamentos incluem itens como a produção final, o consumo de matérias-primas, o custo de produção e a avaliação do impacto ambiental. Os engenheiros hoje estão usando o conceito de termodinâmica para examinar e reinventar coisas destinadas à segurança e conforto humanos.
A ciência da termodinâmica existe desde o século XIX. Desde então, cientistas e engenheiros têm feito esforços constantes e contínuos para torná-la o mais amigável possível.
Fundamentos da Termodinâmica
A palavra termodinâmica é derivada da palavra grega "theme" (que significa calor) e "dynamics" (que significa força). Profissionais de engenharia estão interessados em estudar sistemas e suas interações com o ambiente.
Conceitos/definições usados nesta seção são úteis para os leitores compreenderem o conceito de termodinâmica de engenharia (às vezes referida como Engenharia de Calor-Potência)
Sistema, Ambiente e Universo
Um sistema é algo que queremos estudar e no qual estamos interessados, portanto, o primeiro passo é definir precisamente o objetivo do estudo do sistema. O objetivo do estudo do sistema pode ser melhorar a eficiência do sistema ou reduzir as perdas, etc. Um exemplo de sistema pode ser analisar o ciclo de refrigeração em uma câmara fria ou analisar o ciclo de Rankine em uma usina de energia.
Um sistema é definido como uma massa definida de substância pura limitada por uma superfície fechada ou flexível; da mesma forma, a composição da matéria dentro do sistema pode ser fixa ou variável, dependendo do ciclo.
As dimensões do sistema não são necessariamente constantes (como o ar em um compressor comprimido por um pistão) podem ser variáveis (como um balão inflado). A matéria que interage com o sistema externamente é chamada de Ambiente e o Universo é o resultado do sistema e do ambiente.
O elemento que separa o sistema de seu ambiente é chamado de fronteira. A fronteira do sistema pode ser fixa ou em movimento.
A interação entre o sistema e o ambiente ocorre ao cruzar a fronteira e, assim, desempenha um papel muito importante na termodinâmica (ou seja, engenharia de calor e potência).
Tipos de Sistema na Termodinâmica
Existem dois tipos básicos de sistemas na termodinâmica:
Sistema Fechado ou Massa Controlada: está associado a uma quantidade definida de matéria. Diferente de um sistema aberto, em um sistema fechado, não ocorre fluxo de massa de matéria através da fronteira do sistema. Há também um tipo especial de sistema fechado que não interage e isola-se do ambiente, chamado de sistema isolado.
Volume Controlado (Sistema Aberto): O volume controlado é limitado a uma região do espaço através da qual a massa e a energia podem fluir e cruzar a fronteira do sistema. A fronteira de um sistema aberto é chamada de superfície controlada; esta superfície controlada pode ser real ou imaginária.
Exemplos de volume controlado são tipos de equipamentos que envolvem o fluxo de massa para cruzar a fronteira do sistema, como o fluxo de água através de bombas, o fluxo de vapor em turbinas e o fluxo de ar através de compressores de ar.
Termodinâmica Microscópica
A abordagem microscópica na termodinâmica também é chamada de termodinâmica estatística e está associada à estrutura da matéria, e o objetivo da termodinâmica estatística é caracterizar o comportamento médio das partículas que compõem o sistema de interesse e, em seguida, usar essa informação para observar o comportamento macroscópico do sistema.
Propriedades, Estados e Processos Termodinâmicos
Propriedade Termodinâmica
Uma propriedade termodinâmica é uma característica macroscópica de um sistema. O valor de uma propriedade pode ser atribuído em qualquer momento sem o conhecimento do valor anterior e seu comportamento.
Propriedade Extensiva
Propriedades dependentes da massa são chamadas de propriedades extensivas e seu valor para o sistema geral é a soma de seus valores para as partes em que o sistema é dividido. Exemplos de propriedade extensiva são Volume, Energia e Massa. A propriedade extensiva depende do tamanho do sistema e pode mudar com o tempo.
Propriedade Intensiva
Em contraste com a propriedade extensiva, uma propriedade intensiva não é dependente da massa e é não aditiva por natureza e não depende do tamanho total do sistema. Pode variar em diferentes lugares dentro do sistema em qualquer momento. Exemplos de propriedade intensiva são pressão e temperatura.
Estado Termodinâmico
Um estado é definido como a condição de um sistema que é melhor descrita por suas propriedades. A massa contida em um sistema pode ser encontrada em uma variedade de condições únicas, chamadas de estado. Existem relações entre as propriedades de um sistema, mas o estado pode ser especificado fornecendo o valor de um subconjunto das propriedades.
Processo Termodinâmico
Os processos termodinâmicos são a conversão de um estado para outro estado. Se o valor da propriedade macroscópica de um sistema em dois momentos diferentes for idêntico, então o sistema será dito estar no mesmo estado nesse momento. A condição de estado estacionário do sistema é alcançada se nenhuma de suas propriedades muda em relação ao tempo.
Ciclo de Equilíbrio do Sistema
Um ciclo de equilíbrio termodinâmico é um processo sequencial que começa e termina com a condição do mesmo estado. Quando o ciclo se completa, todas as suas propriedades têm o mesmo valor que tinham no início. Todos os ciclos que se repetem regularmente desempenham um papel vital em muitas áreas de aplicação, como a circulação de condensado em uma estação geradora de energia térmica executa um ciclo.
Substância de Trabalho
A teoria da matéria é útil para entender o conceito de energia. A matéria é conhecida por sua massa, volume e espaço e, independentemente de sua estrutura e natureza, tem certas características, como consistência e confiabilidade. A matéria é formada por um grande número de partículas chamadas moléculas. Pode-se encontrar matérias sólidas, líquidas ou gasosas em todo lugar.
Na matéria sólida, as moléculas estão próximas umas das outras e fortemente ligadas e não conseguem se mover livremente. Assim, é necessário uma força grande para alterar sua forma.
As moléculas na matéria líquida não estão firmemente presas e, portanto, uma força muito pequena é suficiente para manter as moléculas juntas.
No estado gasoso, as moléculas se movem aleatoriamente e livremente, como se estivessem em um estado não ligado, e se movem muito rapidamente, independentemente de suas moléculas adjacentes. A compressibilidade está associada aos gases, que possuem muitos espaços vazios entre as moléculas conectadas. A energia é a razão pela qual a matéria existe em diferentes fases.
Substância Pura
Material de estrutura química única ou homogeneidade em estrutura química variante é conhecido como substâncias puras. O material pode existir em uma única fase, como líquido, ou também pode existir em mais de uma fase em equilíbrio umas com as outras. Uma mistura uniforme de gases com composição química similar também é denominada substância pura.
A importância da substância pura está na determinação das propriedades da substância de trabalho em diferentes condições de pressão e temperatura.
Exemplo: Para uma substância pura como a água, pode ser completamente descrita por duas propriedades intensivas soberanas chamadas pressão e temperatura. Outra substância pura é o ar no estado gasoso. Mas, para substâncias não homogêneas, são necessárias mais de duas propriedades para descrever o estado.
Equilíbrio Termodinâmico
Na mecânica, diz-se que o equilíbrio foi atingido quando igualamos as forças opostas. Mas o significado do equilíbrio termodinâmico é diferente e mais amplo, pois envolve um equilíbrio para muitas outras influências (entre o sistema e o ambiente) além do equilíbrio de forças opostas. Para atingir o equilíbrio completo dentro de um sistema, é necessário cumprir as condições para equilíbrios mecânicos, térmicos, de fase e químicos.
Nesta seção, estamos limitando nossa discussão ao equilíbrio termodinâmico. A ênfase em ter estados de equilíbrio e sua mudança de um equilíbrio para outro é melhor descrita pela Ter
