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Fundamentos da Termodinâmica
Uma unidade relacionada é a libra-mol (lbmol) que é a quantidade de matéria, em libras-massa, numericamente igual à massa molecular dessa substância. É muito importante distinguir libra-mol de mol (grama-mol). No Sistema Inglês, o conceito de força é estabelecido como uma quantidade independente e a unidade de força é definida a partir do procedimento experimental descrito a seguir. Elevemos uma libra-massa padrão no campo gravitacional terrestre em um local onde a aceleração da gravidade é 32,1740 ft/s2. A força, com a qual a libra-massa padrão é atraída pela Terra, é definida como unidade de força e é designada como libra-força. Observe que agora temos definições arbitrárias e independentes para força, massa, comprimento e tempo. Como elas estão relacionadas pela segunda lei de Newton, podemos escrever: F=
ma gc
em que gc é a constante que relaciona as unidades de força, massa, comprimento e tempo. Para o sistema de unidades definido acima, temos 1 lbf = e
1 lbm × 32,174 ft/s2 gc
gc = 32,174
lbm × ft lbf × s2
Observe que gc, a constante de conversão de unidades, tem nesse sistema um valor numérico e apresenta dimensionalidade. Para ilustrar o uso dessa equação, calculemos a força da gravidade sobre uma libra-massa, num local onde a aceleração da gravidade vale 32,14 ft/s2 (a cerca de 10 000 ft acima do nível do mar). F=
ma gc
=
1 lbm × 32,14 ft/s2 32,174 lbm ft/lbf s2
= 0,999 lbf
O termo peso é frequentemente associado a um corpo e, às vezes, é confundido com massa. A palavra peso é usada corretamente apenas quando está associada a força. Quando dizemos que um corpo pesa um certo valor, isso significa que essa é a força com que o corpo é atraído pela Terra (ou por algum outro corpo), ou seja, o peso é igual ao produto da massa do corpo pela aceleração local da gravidade. A massa de uma substância permanece constante variando-se a sua altitude, porém, o seu peso varia com a altitude.
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Exemplo 2.1 Qual é o peso de um corpo que apresenta massa igual a um quilograma num local onde a aceleração local da gravidade vale 9,75 m/s2 ? Solução: O peso é a força que atua sobre o corpo. Aplicando a segunda lei de Newton, F = mg = 1 kg × 9,75 m/s2 × {1 N s2 /kg m] = 9,75 N
2.6 ENERGIA Um dos conceitos muito importantes na termodinâmica é o de energia. Este é um conceito fundamental, como o da massa e da força, e também apresenta dificuldade para ser definido com precisão. A energia tem sido definida como a capacidade de produzir um efeito. Felizmente, a palavra “energia” e o seu significado básico nos é familiar, devido ao seu uso corriqueiro, e sua definição precisa não é essencial neste momento. É importante notar que a energia pode ser acumulada num sistema e que também pode ser transferida de um sistema para outro (por exemplo, na forma de calor). No estudo da termodinâmica estatística nós analisamos, do ponto de vista microscópico, os modos em que a energia pode ser acumulada. Como essa análise é útil no estudo da termodinâmica clássica, apresentaremos uma pequena introdução ao assunto. Considere como sistema um gás, a uma dada pressão e temperatura, contido num tanque ou vaso de pressão. Do ponto de vista molecular, identificamos três formas de energia: 1. Energia potencial intermolecular, que é associada às forças entre moléculas. 2. Energia cinética molecular, que é associada à velocidade de translação das moléculas. 3. Energia intramolecular (relativa a cada molécula), que é associada à estrutura molecular e atômica. A primeira forma de energia, a potencial intermolecular, depende das forças intermoleculares e das posições relativas das moléculas a cada instante. É impossível determinar, com precisão, o valor dessa energia porque não conhecemos a configuração e a orientação das moléculas a cada momento e nem o valor exato do potencial intermolecular. Entretanto, existem duas situações em que podemos realizar boas aproximações. A primeira, relativa a baixos e médios valores de massa específica, é aquela em que as moléculas apresentam distribuição espaçada e, assim, só as colisões entre duas ou três moléculas contribuem para
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