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Revisão de Termodinâmica

“Nada na vida é certo, exceto a morte, os impostos e a segunda lei da termodinâmica.”

Seth Lloyd


A primeira Lei da Termodinâmica relaciona a variação da Energia Interna (dU) com o Calor (Q), a Pressão (p) e o Volume (V) da seguinte maneira:

Variação da Energia Interna
Equação 1. Energia Interna

Onde:

    • dU é a variação da energia interna do sistema;
    • δQ é a variação de calor no sistema;
    • p é a pressão no sistema;
    • dV é a variação de volume no sistema.

O termo p.dV também representa o Trabalho – W – realizado pelo sistema.

Define-se Entalpia – H – de um sistema térmico e sua variação da seguinte maneira:

Entalpia
Equação 2. Entalpia

Onde:

    • H é a entalpia do sistema;
    • dH é a variação da entalpia do sistema;
    • U é a energia interna;
    • p é a pressão no sistema;
    • dV é a variação de volume no sistema.
    • V é o volume do sistema;
    • dp é a variação de pressão no sistema.

Substituindo a equação 1 na equação 2, teremos que a variação de Entalpia depende da variação de Calor e da variação de Pressão, conforme as expressões abaixo:

Equação 3
Equação 3. Variação da Entalpia

As equações 1 e 3 também podem ser escritas da seguinte maneira:

Equação
Equação 4

Definindo Capacidade Térmica (C) como a relação entre a Variação de Calor e a Variação de Temperatura, teremos que:

Equação
Equação 5. Capacidade Térmica

Onde:

    • Cp é a Capacidade Térmica à pressão constante;
    • Cv é a Capacidade Térmica a volume constante.

Todas as grandezas acima são extrínsecas, isto é, dependem da massa e/ou volume. Por isso, costuma-se trabalhar com grandezas normalizadas tendo a massa como base. O resultado desta normalização resulta nas seguintes grandezas:

    • h é a Entalpia Específica [J/kg ou J/mol];
    • s é a Entropia Específica [J/kg/K ou J/mol/K].

A Capacidade Térmica constitui uma propriedade térmica extrínseca dos materiais, e a grandeza intrínseca associada denomina-se de Calor Específico, definida como a Capacidade Térmica dividida pela massa do material.

 

 


 

 

Índice
Definições e Unidades
    • C é a Capacidade Térmica [J/K];
    • c é o Calor Específico [J/kg/K] ou [J/mol/K];
    • Q é o Calor [J];
    • T é a Temperatura [K] ou [°C];
    • U é a Energia Interna [J];
    • p é a Pressão [Pa];
    • V é o Volume [m3];
    • H é a Entalpia [J];
    • m é a Massa [kg] ou [mol].

 

A figura abaixo a apresenta a variação do Calor Específico em função da temperatura para diferentes materiais. Observa-se que ambos (Cp e Cv) aumentam com a temperatura a partir do zero absoluto, mas passam a ter comportamento distinto a partir da temperatura de vaporização.

Calor Específico
Figura 1. Variação do Calor Específico com a Temperatura

Para gases ideais, os dois valores de calor específico se relacionam da seguinte maneira:

Calor Específico Gases Ideais
Equação 6 Relação entre Cp e Cv para gases ideais

Na prática, a variação do calor específico com a temperatura pode ser aproximada por polinômios de quarta ordem, conforme a expressão:

Calor Específico x Temperatura
Equação 7

Para sólidos, a aproximação necessita apenas dos termos até segundo grau.

Calor Específico dos Sólidos - Cp

FórmulaABCTmin
(K)
Tmax
(K)
Cp
(@25 oC)
Ag23,75,0e-32,8e-720392525,24
Al19,11,6e-2-5,1e-720587323,70
C-0,83,5e-2-1,3e-520011008,40
CO241,23,1e-26,4e-5150210---
Cu22,08,8e-3-1,1e-63731273---
H2O9,77,5e-2-1,6e-5150273----
NaCl41,33,4e-21,4e-5200107450,10
Cp [J/mol/K], T[K]
Yaws, Carl L. "Heat Capacity of Solids." Chemical Properties Handbook: Physical, Thermodynamic, Environmental, Transport, Safety, and Health Related Properties for Organic and Inorganic Chemicals. New York: McGraw-Hill, 1999. 779. Print.

Calor Específico de Líquidos Orgânicos

FórmulaA BCDTminTmaxCp@ 25C
CH4-0,021,20-9,9e-33,2e-592172
C2H6O59,33,64e-1-1,2e-31,8e-6160465107,4
H2O92,1-4,0e-2-2,1e-45,4e-727361575,55
Cp [J/mol/K], T[K]
Yaws, Carl L. "Heat Capacity of Liquids." Chemical Properties Handbook: Physical, Thermodynamic, Environmental, Transport, Safety, and Health Related Properties for Organic and Inorganic Chemicals. New York: McGraw-Hill, 1999. 779. Print.

Calor Específico de Gases

FórmulaABC DETminTmax
CH434,9-4,00e-21,92e-4-1,53e-73,93e-11501500
CO29,6-6,6e-32,01e-5-1,22e-82,26e-12601500
CO227,444,23e-2-1,96e-54,00e-9-2,99e-13505000
C2H6O27,091,11e-11,10ee-4-1,50e-74,66e-111001500
H225,42,02e-2-3,85e-53,19e-8-8,76e-122501500
H2O33,93-8,42e-32,99e-5-1,78e-83,69e-121001500
Ar
Cp [J/mol/K], T[K]
Yaws, Carl L. "Heat Capacity of Gases." Chemical Properties Handbook: Physical, Thermodynamic, Environmental, Transport, Safety, and Health Related Properties for Organic and Inorganic Chemicals. New York: McGraw-Hill, 1999. 779. Print.

Além da Entalpia, a Termodinâmica utiliza o conceito da Entropia – S, definido como a variação de calor pela Temperatura.

Equação 8. Entalpia

Onde:

    • S é a Entropia.
    • Q é o Calor.
    • T é a temperatura.

Substituindo a Equação 8 na Equação 1, obtemos a seguinte expressão, que relaciona a Entropia com a Energia Interna, a Temperatura, a Pressão e o Volume:

Equação 9.

Gases Ideais


A expressão abaixo estabelece a relação entre pressão, volume e temperatura de gases ideais superaquecidos:

Equação
Equação 8

Onde:

  • p é a pressão [N/m2];
  • V é o volume [m3];
  • m é a massa [kg];
  • n é a massa [mol];
  • R é a constante específica do gás [kJ/kg/K] ou [kJ/mol/K];
  • T é a temperatura [K];