Aula01_Termo_2012_08mar2012

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UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Campus Foz do Iguaçu / Centro de Ciências Exatas
Engenharia Mecânica
TERMODINÂMICA
 Aula 01 – Introdução, conceitos e definições básicas.
Prof. Dr Eduardo César Dechechi
dechechi@gmail.com 
Unioeste / CECE / Foz do Iguaçu
Engenharia Mecânica
Termodinâmica – 2012
Prof Dr Eduardo Dechechi
Introdução
Importância das dimensões e Unidades
Sistemas e Volumes de controle
Propriedades de um sistema
Massa específica e densidade relativa
Estado e equilíbrio
Processos e ciclos
Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
Pressão
Técnicas para a solução de problemas
Bibliografia
Sumário
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Termodinâmica – 2012
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A palavra Termodinâmica tem origem das palavras gregas
 therme (θερμη): calor
 dynamis (δυναμις): movimento
Isto descreve bem os primeiros esforços na tentativa de converter calor em movimento.
1. Introdução
1.1 Etimologia
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Termodinâmica – 2012
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até 1697 (?): princípios da Termodinâmica existem desde a criação do Universo
1697 (Thomas Savery) e 1712 (Thomas Newconem): surgimento da Termodinâmica como ciência após a construção dos primeiros motores a vapor na Inglaterra
Década de 1850 (Willian Rankine, Rudolph Clausius & Willian Thomson [Lord Kelvin]): surgimento simultâneo da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica
1859 (Willian Rankine): primeiro livro sobre termodinâmica
1. Introdução
1.2 Breve Histórico
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Termodinâmica é a ciência da energia. (ÇENGEL & BOLES, 2007)
Termodinâmica é a ciência da energia e da entropia. (BORGNAKKE & SONNTAG, 2009)
Termodinâmica é a ciência que trata da energia e das relações entre as propriedades da matéria.
(MORAN & SHAPIRO, 2009)
1. Introdução
1.3 Definições
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A base da Termodinâmica, como a de todas as ciências, é a observação experimental. 
Na Termodinâmica, essas descobertas foram formalizadas através de certas leis básicas, conhecidas como Primeira, Segunda e Terceira Leis da Termodinâmica. 
Além dessas, a Lei Zero, que no desenvolvimento lógico da termodinâmica precede a Primeira Lei, também foi estabelecida.
1. Introdução
1.3 Definições
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Energia
A energia pode ser entendida como a capacidade de causar alterações.
Princípio de Conservação da Energia
Uma das leis fundamentais da natureza, dita que durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas que a quantidade total permanece constante. (Energia não pode ser criada nem destruída)
Primeira Lei da Termodinâmica
É uma expressão do Princípio de Conservação de Energia, e diz que a energia é uma propriedade termodinâmica.
Segunda Lei da Termodinâmica
Diz que a energia tem qualidade, bem como quantidade, e que os processos reais ocorrem na direção da diminuição da qualidade da energia.
1. Introdução
1.3 Definições
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Termodinâmica Clássica
É a abordagem macroscópica da Termodinâmica, que não exige o conhecimento do comportamento das partículas individuais.
Um modo direto e fácil para a solução dos problemas de Engenharia.
Termodinâmica Estatística
É uma abordagem mais elaborada, com base no comportamento médio de grandes grupos de partículas individuais.
Essa abordagem microscópica é bastante sofisticada e será utilizada nesta disciplina somente como um elemento suporte.
1. Introdução
1.3 Definições
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Termodinâmica Clássica
É difícil imaginar uma área que não se relacione à Termodinâmica de alguma maneira, pois todas as atividades da natureza envolvem alguma interação entre energia e matéria.
O desenvolvimento de uma boa compreensão dos princípios básicos da Termodinâmica há muito constitui parte essencial do ensino da Engenharia.
1. Introdução
1.3 Definições
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1. Introdução
1.4 Aplicações da Termodinâmica
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1. Introdução
1.4 Aplicações da Termodinâmica
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1. Introdução
1.4 Aplicações da Termodinâmica
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Toda grandeza física pode ser caracterizada pelas dimensões.
 Dimensões primárias ou fundamentais
 massa			m
 comprimento	L
 tempo			t
 temperatura	T
 Dimensões secundárias ou derivadas
 velocidade		v
 aceleração		a
 energia			E
2. Importância das dimensões e Unidades
2.1 Dimensões
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Unidades
São as magnitudes atribuídas às dimensões.
Sistema Internacional de Unidades
Criação: pela 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) em 1960 – uma evolução do sistema métrico decimal.
Características: o SI evolui de maneira a acompanhar as crescentes exigências mundiais demandadas pelas medições, em todos os níveis de precisão, em todos os campos da ciência, da tecnologia e das atividades humanas.
2. Importância das dimensões e Unidades
2.2 Unidades
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2. Importância das dimensões e Unidades
2.3 Unidades fundamentais
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2. Importância das dimensões e Unidades
2.3 Unidades fundamentais
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2. Importância das dimensões e Unidades
2.3 Unidades fundamentais
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Um conjunto de prefixos foi adotado para uso com as unidades do SI, a fim de exprimir os valores de grandezas que são muito maiores ou muito menores do que a unidade SI usada sem um prefixo.
2. Importância das dimensões e Unidades
2.4 Múltiplos e Submúltiplos do SI
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Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região no espaço selecionada para estudo.
A massa ou região fora do sistema é chamada de vizinhança.
A superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança é chamada fronteira.
 
A fronteira pode ser fixa ou móvel e, em termos matemáticos, ela tem e espessura zero e, portanto, não pode conter massa e nem ocupar nenhum volume no espaço.
3. Sistemas e Volumes de controle
3.1 Sistema
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CLASSIFICAÇÃO
Os sistemas podem ser classificados como fechados ou abertos, dependendo da seleção de uma massa fixa ou de um volume fixo para o estudo.
3. Sistemas e Volumes de controle
3.1 Sistema
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Sistema Fechado
Um sistema fechado (ou massa de controle) consiste de uma quantidade fixa de massa, e nenhuma massa pode atravessar sua fronteira. 
A energia na forma de calor e de trabalho pode cruzar a fronteira.
A
B
C
3. Sistemas e Volumes de controle
3.1 Sistema
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Um sistema aberto (ou volume de controle) é uma região minuciosamente selecionada no espaço. 
Em geral, ele inclui um dispositivo que envolve fluxo de massa.
Tanto massa quanto energia podem atravessar a fronteira do volume de controle. 
As fronteiras (superfícies de controle) podem ser reais ou imagináveis e fixas ou móveis.
3. Sistemas e Volumes de controle
3.2 Volumes de controle
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Definição
Qualquer característica de um sistema é chamada de propriedade.
pressão 		p
temperatura, 	T
volume, 		V
massa, 			m
condutividade térmica, k
entre outros.
4. Propriedades de um sistema
4.1 Definição
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As propriedades podem ser classificadas como intensivas e extensivas
Intensivas
 São independentes da massa de um sistema:
temperatura, T
pressão, p
massa específica, ρ
Extensivas
 São dependentes do tamanho (extensão) de um sistema:
massa total, m
volume total, V
quantidade de movimento (momentum) total
4. Propriedades de um sistema
4.2 Classificação
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As propriedades extensiva por unidade de massa são conhecidas como propriedades específicas.
volume específico, v = V/m
energia total específica, e = E/m
4. Propriedades de um sistema
4.3 Propriedades específicas
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É bastante conveniente ignorar a natureza atômica de uma substância e tratá-la como uma matéria contínua, homogênea e sem descontinuidades, ou seja, um contínuo.
Esta idealização é válida desde que o tamanho do sistema com o qual lidamos seja grande com relação ao espaçamento entre as moléculas.
4. Propriedades de um sistema
4.4 Contínuo
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Massa específica
Volume específico
5. Massa específica e densidade relativa
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Gravidade específica (GE) 
Ou Densidade Relativa (DR):
 Geralmente uma relação com um padrão conhecido (p.ex. água a 4,0°C)
Aplicação prática desta informação? 
Afunda ou não?
Peso específico
5. Massa específica e densidade relativa
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Quando um sistema não está passando por nenhuma mudança, todas as suas propriedades podem ser medidas ou calculadas, o que nos fornece um conjunto de propriedades que descreve completamente a condição, o estado do sistema. 
Em determinado estado, todas as propriedades de um sistema têm valores fixos.
6. Estado e equilíbrio
6.1 Estado
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A termodinâmica trata de estados em equilíbrio. 
A palavra equilíbrio implica um estado de equilíbrio. 
Em um estado de equilíbrio não existem potenciais desbalanceados (ou forças motrizes) dentro do sistema.
Um sistema em equilíbrio não passa por mudanças quando é isolado de sua vizinhança.
6. Estado e equilíbrio
6.2 Equilíbrio
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Um sistema está em equilíbrio termodinâmico quando as condições para todos os tipos relevantes de equilíbrio estão atendidas:
Equilíbrio térmico;
Equilíbrio mecânico;
Equilíbrio de fase; 
Equilíbrio químico.
* não há troca de calor, massa e energia
* Não implica parada total das moléculas e sim que a taxa de ida é igual de volta!!
6. Estado e equilíbrio
6.3 Equilíbrio Termodinâmico
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Introdução
Importância das dimensões e Unidades
Sistemas e Volumes de controle
Propriedades de um sistema
Massa específica e densidade relativa
Estado e equilíbrio
Processos e ciclos
Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
Pressão
Técnicas para a solução de problemas
Bibliografia
Sumário
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“O estado de um sistema compressível simples é completamente especificado por duas propriedades intensivas independentes”.
Um sistema é chamada sistema compressível simples na ausência de efeitos elétricos, magnéticos, gravitacionais, de movimento e de tensão superficial.
Duas propriedades são independentes se uma propriedade puder ser variada enquanto a outra é mantida constante.
6. Estado e equilíbrio
6.3 Equilíbrio Termodinâmico
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Toda a mudança pela qual um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro é chamada de processo, e a série de estados através das quais um sistema passa durante um processo é chamada de percurso do processo.
Para descrever um processo completamente, é preciso especificar os estados inicial e final do processo, bem como o percurso que ele segue, além das interações com a vizinhança.
7. Processos e ciclos
7.1 Processo
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É àquele processo que se desenvolve de forma que o sistema permaneça infinitesimalmente próximo a um estado de equilíbrio em todos os instantes de tempo.
Muitos processos reais se aproximam bastante dos processos quase-estáticos e podem ser modelados como tais com um erro desprezível.
Engenheiros se interessam por processos quase-estáticos porque eles são fáceis de analisar e porque os dispositivos que produzem trabalho fornecem mais trabalho quando operam nos processos de quase-estático.
7. Processos e ciclos
7.2 Processo Quase-Estático
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O processo passa por uma série de estados de quase-equilíbrio. 
Nos processos não estáticos esta abordagem é comprometida;
Processo não quase-estático deve ser apontada por uma linha tracejada entre o início e fim do processo.
7. Processos e ciclos
7.2 Processo Quase-Estático
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Indicado para designar um processo em que determinada propriedade permanece constante:
Processo Isotérmico: temperatura constante
Processo Isobárico: pressão constante
Processo Isocórico (ou Isovolumétrico): volume constante
Processo Isoentálpico: entalpia constante
Processo Isoentrópico: entropia constante
7. Processos e ciclos
7.3 Prefixo ISO
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Diz-se que um sistema executou um ciclo quando ele retorna ao estado inicial no final do processo.
Isto é, para um ciclo, os estados inicial e final são idênticos.
7. Processos e ciclos
7.4 Ciclo
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Permanente
O termo permanente implica nenhuma modificação com o tempo. 
O oposto de permanente é transiente, ou não permanente ou temporário.
Processo em Regime Permanente
Pode ser definido como um processo durante o qual um fluido escoa através de um volume de controle de forma permanente.
Uniforme
O termo uniforme, por sua vez, implica nenhuma variação espacial.
7. Processos e ciclos
7.5 Característica dinâmica
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Igualdade de temperatura.
Devido dificuldades para definir temperatura, definimos igualdade de temperatura.
Dois corpos possuem igualdade de temperatura se não apresentarem alterações
em qualquer propriedade mensurável quando colocados em contato térmico. A igualdade de temperatura é a única exigência para equilíbrio térmico.
8. Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
8.1 Igualdade de temperatura.
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Esta lei declara que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles também estão em equilíbrio térmico entre si.
Sendo este fato não proveniente de outras leis e uma vez que na apresentação da Termodinâmica ele precede a Primeira e a Segunda Leis, recebe a denominação de “Lei Zero da Termodinâmica”..
8. Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
8.2 Lei Zero da Termodinâmica
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Escala de Temperatura
A escala de temperatura no SI é a escala Celsius, cujo símbolo é °C.
Esta escala é definida em termos do ponto triplo da água (0,01 °C) e da escala de temperatura do gás perfeito.
Escala Kelvin: K = °C + 273,15
Escala Rankine: R = F + 459,67
8. Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
8.3 Escala de Temperatura
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8. Temperatura e a Lei Zero da Termodinâmica.
8.3 Escala de Temperatura
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Quando tratamos com sólidos falamos de tensão; 
nos fluidos falamos de pressão. 
A unidade de pressão no SI é o pascal (Pa).
9. Pressão
	9.1 descrição
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9. Pressão
	9.1 descrição
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Exemplo:
9. Pressão
	9.2 exemplo
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It will come as no surprise to you that pressure in a fluid at rest does not change in the horizontal direction. 
This can be shown easily by considering a thin horizontal layer of fluid and doing a force balance in any horizontal direction. 
However, this is not the case in the vertical direction in a gravity field. 
Pressure in a fluid increases with depth because more fluid rests on deeper layers, and the effect of this “extra weight” on a deeper layer is balanced by an increase in pressure (Fig. 1–39).
9. Pressão
	9.3 Variação da Pressão com a profundidade
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To obtain a relation for the variation of pressure with depth, consider a rectangular fluid element of height Δz, length Δ x, and unit depth (into the page) in equilibrium, as shown in Fig. 1–40. 
Assuming the density of the fluid ρ to be constant, a force balance in the vertical z-direction gives:
9. Pressão
	9.3 Variação da Pressão com a profundidade
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9. Pressão
	9.3 Variação da Pressão com a profundidade
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9. Pressão
	9.3 Variação da Pressão com a profundidade
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9. Pressão
	9.4 Manômetro U
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9. Pressão
	9.5 Outros medidores de pressão
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Solução de problemas:
Base fundamental
Abordagem sistemática
Problema complicado e complexo -> série de pequenos problemas simples
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
Enunciado do problema
Assimile o enunciado;
Identifique claramente os objetivos do problema;
Explicite objetivamente quais resultados são esperados (de forma a checar ao final);
Organize as informações disponíveis (explícitas e implícitas);
Normalize as grandezas e unidades envolvidas;
Organização é um passo importante.
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
Esquematize (graficamente) o sistema físico envolvido relacionando as informações importantes disponíveis;
O sistema pode não ser fiel, mas deve representar o sistema real ou o problema a que se desaja resolver;
Explicite as variáveis e constantes do problema, tanto em tabela quanto no próprio desenho;
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
Enuncie as hipóteses apropriadas;
Enuncie também todas as considerações necessárias e/ou estipuladas por você (muitas vezes o resultado depende destas considerações);
Caso utilize informações que não estejam claro para você (explicite na sua organização);
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
Aplique as considerações, leis e princípios básicos da física. Reduza-os quando puder, mas mantenha ciência destas ações; 
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
Determine as propriedades desconhecidas es estados conhecidos e necessários para solucionar o problema;
Utilize relações e/ou tabelas de propriedades (cite a fonte e a base a qual esta suportada);
Relacione as propriedades separadamente e indique as fontes.
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
Substitua as grandezas conhecidas nas relações simplificadas e execute os cálculos;
Atenção as unidades e dimensões;
Cheque a precisão com os dados disponíveis (não utilize todas as casas decimais apenas por que a calculadora indicou);
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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Etapas
1) Enunciado do problema
2) Esquema
3) Hipóteses e Aproximações
4) Leis da Física
5) Propriedades
6) Cálculos
7) Raciocínio, Verificação e Discussão
Verifique
criticamente os resultados;
…
…
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.1 Procedimento
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 O Engineering Equation Solver – ESS é um programa que resolve numericamente sistemas lineares ou não-lineares de equações diferenciais ou algébricas. 
 Ele tem uma ampla biblioteca de funções de ropriedades termodinâmicas incorporadas, bem como de funções matemáticas, e permite que o usuário forneça dados de propriedades adicionais.
Ao contrário de alguns pacotes computacionais, o EES não soluciona os problemas de Engenharia, ele apenas resolve as equações fornecidas pelo usuário.
		http://www.mhhe.com/engcs/mech/ees/
10. Técnicas para a solução de problemas
	10.2 Software EES
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Básicas
ÇENGEL, Y.A., M.A. BOLES, Termodinâmica, 5°Edição, McGraw-Hill, 2006.
11. Bibliografia
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