Introdução à Termodinâmica - Dimensões e unidades

O nome termodinâmica vem das palavras gregas therme (calor) e dynamis (movimento), ou seja, inicialmente, conhecida como a ciência que intenciona transformar calor em movimento. O termo termodinâmica foi usado pela primeira vez numa publicação de Lord Kelvin (1849). O primeiro livro escrito foi em 1859 por William Rankine, professor da Universidade de Glasgow. Atualmente isto é interpretado de forma mais ampla, envolvendo aspectos da energia e suas transformações, geração de energia, refrigeração, e ainda as propriedades da matéria. Desse modo, a termodinâmica pode ainda ser definida como a ciência da energia.

Uma das leis principais da termodinâmica é o princípio da conservação da energia, que diz que durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas que a quantidade total permanece constante, i.e., a energia não pode ser criada ou destruída. Na Fig. 1 tem-se ilustrado um exemplo deste princípio, ie, que tenha uma entrada de energia (alimento) maior do que a saída (exercício) ganhará peso (em forma de gordura).

Figura 1: Principio conservação de energia para o corpo humano

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A termodinâmica clássica envolve uma abordagem macroscópica do estudo, não exigindo o conhecimento do comportamento das partículas individuais. Enquanto, na termodinâmica estatística a abordagem é microscópica. Por exemplo, na termodinâmica clássica para determinar a pressão de uma substância confinada basta colocar um medidor, sem se importar com a quantidade de movimento entre as moléculas e paredes do recipiente.

A termodinâmica está presente em nossa vida, em quase todas situações, tais como:

•     no corpo humano, em convenções de energia, geração de calor, troca de calor, etc.

•     numa residência, em rede de gás, sistemas de aquecimento e/ou de refrigeração, chuveiro, TV, etc.

•     em usinas, carros, aviões, etc.

1  Unidades SI e inglesa

Apesar dos esforços de unificação, atualmente existem dois conjuntos de unidades: o sistema inglês e o sistema internacional (SI). No SI a base é decimal, e no sistema inglês não há uma base numérica sistemática, por exemplo, 12pol = 1pé. A seguir tem-se algumas equivalências:

=> massa - 0,45359 kg (quilo) (SI) = 1 lbm (libra-massa) (inglês)

=> comprimento - 0,3048 m (metro) (SI) = 1 pé

No sistema inglês, força é considerada uma dimensão primária, e a unidade é libra-força (lbf), definida como a força necessária para acelerar 32,174 lbm (1slug) a uma taxa de 1 pé/. Conforme Fig. 2

=> 1 N = 1 kg. m/ (SI)

=> 1 lbf = 32,174 lbm . pé/

A força de 1 N é aproximadamente equivalente ao peso de uma maçã pequena (m=102 g) e 1 lbf a de quatro maçãs (454g). Outra unidade de força bastante utilizada é o quilograma-força (kgf) que é o peso de uma massa de 1kg no nível do mar (1kgf = 9,807N). Na Fig./refForcaMaca tem-se uma representação dessas magnitudes.

Figura 2: Definicao de Força

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Figura 3: Esquema comparativo entre unidades de força

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O peso de uma unidade de volume de uma substância é chamado peso específico, γ:

γ=ϱg , onde ϱ é a densidade.

Peso é força e não é unidade de massa!  Uma balança comum mede a força gravitacional que age sobre um corpo. Na superfície da lua uma pessoa pesa cerca de um sexto do que normalmente pesaria na Terra Fig. 4. A principal causa de confusão entre massa e peso é que a massa em geral é medida indiretamente calculando-se a força da gravidade exercida sobre ela, desconsiderando forças exercidas por outros efeitos, como o empuxo. A forma direta de medir a massa é compará-la a uma massa conhecida.

Figura 4: O peso de uma pessoa na lua é um sexto do peso dela na Terra.

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O trabalho é uma forma de energia definida como força vezes distância, sua unidade é o Joule (N.m).

1J=1N.m

No sistema inglês, a unidade de energia é o Btu (unidade térmica britânica), definida como a energia necessária para elevar 1F a temperatura de 1lbm de água a 68F.

No sistema métrico, a quantidade de energia necessária para elevar 1C a temperatura de 1g de água a 14.5C é definida como uma caloria (1cal), e 1cal = 4,1868J. Observa-se que 1 Btu = 1,0551 kJ.