Termodinâmica Ambiental

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Almeida Meque Gomundanhe1

Termodinâmica Ambiental

Lichinga 2015

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Mestrado em Educação/Ensino de Química. Docente do Departamento de Ciências Naturais e Matemática,

curso de Química, na Universidade Pedagógica-Niassa. [email protected].

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ÍNDICE Introdução ................................................................................................................................. 3 Unidade 1. Introdução à Termodinâmica Ambiental ........................................................... 4 1.1.Objecto de estudo e objectivo da Termodinâmica Ambiental .............................................. 4 1.2. Conceitos básicos da Termodinâmica e da Termodinâmica Ambiental.............................. 4 1.2.1. Propriedades de um sistema ............................................................................................. 5 1.2.2. Propriedades de substância pura ....................................................................................... 5 Unidade 2: Leis da conservação da massa e da energia ........................................................ 6 2.1. Energia. Classificação ......................................................................................................... 6 2. 2. Lei de conservação da massa .............................................................................................. 7 2.3. Primeira lei da termodinâmica............................................................................................. 7 2.4. Segunda lei da termodinâmica............................................................................................. 8 2.4.1. Ciclo termodinâmico e o ambiente ................................................................................... 9 2.4.2. Ciclo de potência .............................................................................................................. 9 Unidade 3: A energia e o meio ambiente .............................................................................. 11 3.1. Fontes de energia na ecosfera ............................................................................................ 11 3.2. Fluxo de energia ................................................................................................................ 12 3.3. A eficiência do aproveitamento energético ....................................................................... 12 Unidade 4: Princípios da termodinâmica ambiental ........................................................... 13 5.Conclusão ............................................................................................................................. 15 Bibliografia .............................................................................................................................. 16

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Introdução O ambiente tem enfrentado vários problemas causados pelas actividades praticadas pelo homem. Os tais problemas estão relacionados com a produção de resíduos sólidos, efluentes líquidos e gasosos em grandes quantidades. Mas o homem não tem consigo aproveitar estes aspectos ambientais para melhorar a sua situação sócio-económica e a preservar a saúde ambiental. O melhoramento da situação sócio-económica e da preservação do ambiente passa necessariamente da adopção de medidas que visem tratar e reciclar esses resíduos. Aliás, na natureza nada se perde e nem se cria, mas sim, se transforma. O presente ensaio é constituído por quatro unidades: 1. Introdução à Termodinâmica Ambiental, 2. Leis da conservação da massa e da energia, 3. A energia e o meio ambiente e 4. Princípios da termodinâmica ambiental. Unidade 1. Introdução à Termodinâmica: trata de Objecto de estudo e objectivo da Termodinâmica Ambiental, conceitos básicos da Termodinâmica e da Termodinâmica Ambiental, propriedades de um sistema e substância pura. Unidade 2. Leis da conservação da massa e da energia: Energia. Classificação, lei da conservação da massa, primeira lei da termodinâmica, segunda lei da termodinâmica e ciclo termodinâmico e o ambiente, ciclo de potência. Unidade 3. A energia e o meio ambiente: trata de fontes de energia na ecosfera e a eficiência do aproveitamento energético, fluxo de energia. Unidade 4. Princípios da termodinâmica ambiental: trata dos princípios que regem o funcionamento dos ecossistemas. E no final, apresenta-se a conclusão e a bibliografia que permitiu a realização do presente ensaio.

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Unidade 1. Introdução à Termodinâmica Ambiental 1.1. Objecto de estudo e objectivo da Termodinâmica Ambiental A Termodinâmica Ambiental é o ramo da Física e das ciências da engenharia que estuda as variações de energia e a relação destas com o ambiente. E ela tem como objectivo, explicar : 

os impactos das variações de energia sobre o ambiente e



os mecanismos de reciclagem energética.

1.2. Conceitos básicos da Termodinâmica e da Termodinâmica Ambiental Neste ponto iremos discutir os seguintes conceitos: sistema, fronteira, meio ambiente e processo. O sistema pode ser entendido como sendo um conjunto complexo de elementos (massa, energia, trabalho e calor) que podem ou não interagir com o meio ambiente. Fronteira pode ser entendido como sendo a superfície que delimita o sistema e o meio ambiente. Meio ambiente é um espaço que se encontra fora do sistema, mas ambos gozam da mesma fronteira. A fronteira é uma superfície imaginária ou real que pode ou não permitir a troca da massa, energia ou trabalho do interior do sistema para o ambiente. Neste contexto, podemos afirmar que existem sistema aberto, fechado, mecânica e termicamente isolado. Sistema aberto: possui uma fronteira “porosa” que permite a troca de massa ou energia com o meio ambiente e vice-versa. Sistema fechado: não possui uma fronteira “porosa”. Daí que não permite a troca de massa ou energia com o meio ambiente e vice-versa. Sistema mecanicamente isolado: não compartilha a mesma fronteira com o meio ambiente. Daí que, neste sistema não se verifica a troca de trabalho com o meio ambiente e vice-versa. Sistema termicamente isolado: não compartilha a mesma fronteira com o meio ambiente e consequentemente não existe troca de calor com o meio ambiente e nem este com o sistema.

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Portanto, todos têm uma influência no equilíbrio dos ecossistemas. Por exemplo, se os ecossistemas (terrestres e aquáticos) fossem um sistema aberto significaria que, a energia que se transfere ao longo da cadeia alimentar não retornaria à mesma. E isso provocaria um desequilíbrio grave aos ecossistemas e consequentemente colocar-se-ia em risco a sobrevivência dos seres vivos que neles habitam. Entretanto, um ecossistema como sistema fechado apresenta um equilíbrio “estável”, porque há uma constante reciclagem da matéria e energia pese embora essa matéria e energia se transforme ao longo da cadeia alimentar. E o ideal ainda seria termos um ecossistema termicamente isolado, pois não haveria perda de energia durante o processo de transformação de energia em uma outra forma. Mas discutiremos com pormenor este assunto, no ponto 2.4 (segunda lei da termodinâmica). Em suma, os sistemas abertos provocam o desequilíbrio dos ecossistemas enquanto os sistemas fechados garantem o equilíbrio dos ecossistemas. 1.2.1. Propriedades de um sistema Propriedade é uma grandeza físico-química que é usada para caracterizar um sistema. Num sistema, a matéria pode se encontrar na fase sólida, líquida ou gasosa. Cada uma dessas fases pode ter uma composição invariável. Quando assim acontece, diz-se que a fase é homogénea. A fase homogénea possui as mesmas propriedades físico-químicas em toda a sua extensão. As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas em intensiva e extensiva. A propriedade intensiva é aquele que não está relacionada com a massa de um sistema, pois não varia de característica em todo o sistema. Ex.: temperatura, pressão, densidade e velocidade. A propriedade extensiva como o nome diz, está directamente relacionada com a massa do sistema. Ex.: massa, volume, quantidade de movimento e energia cinética. 1.2.2. Propriedades de substância pura Na natureza podemos encontrar não só mistura de substâncias, mas também podemos encontrar substâncias puras. Substâncias puras são constituídas por apenas espécies químicas iguais (ex.: Cl2, H2O, etc.). Já uma mistura é constituída por duas ou mais substâncias diferentes (ex.: área e agua, agua e açúcar, mistura de ar liquido e gasoso). Entretanto, neste ponto nos dedicaremos às substâncias puras. Mas o ar pode também ser considerada uma

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substância pura, desde que não sofra por exemplo, o processo de combustão e mude para a outra fase. As substâncias puras podem se encontrar em várias fases, nomeadamente, sólida, líquida e gasosa. Geralmente, em termodinâmica são considerados sistemas com substâncias com única fase, que não sofrem efeitos magnéticos, eléctricos e de superfície. A essas substâncias dá-se o nome de substâncias puras simples compressíveis (sistema simples). As substâncias puras possuem propriedades que para sua determinação dependem das outras, mas existem outras propriedades que permitem determinar as outras. As propriedades que a partir das quais se podem determinar as outras e consequentemente o estado de um sistema chamam-se propriedades independentes. Essas são nomeadamente pressão e volume específico, ou pressão e título. Por exemplo, pode-se determinar a temperatura a partir da seguinte equação de estado: 



p v  RT

Podemos determinar o valor da temperatura (T) sendo-nos disponibilizados os valores da 

pressão (p) e do volume específico ( v ). Neste caso, a temperatura é uma propriedade dependente. Já a pressão e o volume específico são propriedades independentes.

Unidade 2: Leis da conservação da massa e da energia 2.1. Energia. Classificação Todos os seres vivos precisam de energia para diversos fins. Por exemplo, as plantas precisam de energia para sintetizar os compostos orgânicos. Já os animais necessitam de energia para transformar as substâncias complexas em simples e também para a sua locomoção. Entretanto, a energia que as plantas usam para sintetizar os compostos não é a mesma a utilizada pelos animais. Ou seja, a energia usada pelas plantas quando se transfere à cadeia alimentar, é transformada em outras formas de energia, nomeadamente: energia potencial e cinética. Energia potencial é aquela que é armazenada por exemplo, nos alimentos.

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Energia cinética é aquela que é criada pelos seres vivos durante a sua movimentação.

2. 2. Lei de conservação da massa Diariamente, o homem tem produzido grandes quantidades de resíduos sólidos, efluentes líquidos e gasosos. Estes resíduos e efluentes, geralmente são deitados fora criando vários problemas ambientais a saber: poluição ou contaminação dos solos, dos rios, lagos, mares, ar. E essa poluição ou contaminação causa infertilidade dos solos, morte da biodiversidade existente nos rios, lagos e mares. Entretanto, esses problemas ambientais podem ser evitados recorrendo ao processo de tratamento e reciclagem dos resíduos sólidos e dos efluentes líquidos e gasosos. A lei que defende esta posição recebe o nome de lei da conservação da massa. Esta lei defende que na natureza a matéria nunca se deve criar e nem ser deitada fora, mas sim, ela deve ser transformada em outra. Portanto, a aplicação da lei da conservação da massa evita o acúmulo de resíduos sólidos nas nossas vias públicas e como resultado disso evita-se a ocorrência de acidentes de viação. O exemplo claro da aplicação desta lei é a transformação dos resíduos orgânicos em adubos através do processo de compostagem. 2.3. Primeira lei da termodinâmica Geralmente quando se transforma alguma coisa em outra nós pensamento que a coisa perdeuse. Mas na verdade, o que aconteceu não foi a perda, mas sim uma transformação. Esta afirmação é defendida pela lei da conservação da massa. Entretanto, esta lei se equivale a primeira lei da termodinâmica, mas ao nível energético. A primeira lei da termodinâmica diz que na natureza a energia não se perde e nem se destrói, mas sim, se transforma em outas formas. Esta lei encontra aplicação quando pretendemos relacionar a energia (energia luminosa) que é absorvida pelas plantas para a síntese dos compostos orgânicos complexos (C6H12O6) e a energia armazenada (energia potencial) nos alimentos (compostos orgânicos complexos).

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Os compostos complexos são transformados em compostos simples através do processo de respiração. E durante esta transformação há libertação de energia que é útil para a sobrevivência dos seres vivos, incluindo o homem. Resumindo teremos: Energia luminosa

Energia potencial

Energia cinética

A última forma de energia cria-se quando os seres vivos (animais e o homem) estiverem em movimentação. 2.4. Segunda lei da termodinâmica Esta lei defende que à medida que a energia se transforma numa outra forma, ela perde as características iniciais (deprecia-se). Isso significa que a energia que é absorvida pelas plantas (produtores) tem melhor qualidade em relação as outras formas de energia. E geralmente tem sido difícil recuperar às características iniciais da energia. O conteúdo energético de um ecossistema pode ser divido em três partes: A parte que é absorvida pelas plantas (produtores); Uma parte que não pode ser usada durante o processo de transformação (perdida); Uma parte que perde as características durante o processo de transformação, na cadeia alimentar. Essas três partes significam que, o conteúdo energético absorvido pelas plantas tem muita quantidade em relação as outras formas de energia, pois à medida que se transforma a energia luminosa em potencial e cinética, uma parte desta se liberta para o ambiente sob a forma de calor, alterando-se desta maneira a qualidade do conteúdo energético dos seres vivos que encontram localizados noutros níveis tróficos e consequentemente altera-se também as características energéticas iniciais. Portanto, se se continuar a libertar constantemente a energia sob a forma de calor isso poderá causar graves problemas ambientais ligados directamente a elevação do efeito de estufa. Com esta lei em alusão, podemos concluir que os ecossistemas não são sistemas totalmente fechados, pois durante o processo de transformação de energia ao longo da cadeia alimentar

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não se verifica simultaneamente a preservação da quantidade e qualidade de energia. Isso é devido a ausência do ciclo energético nos ecossistemas. Este ciclo consistiria na recuperação da qualidade de energia inicial nos ecossistemas que se deprecia durante o processo de transformação desta em outra forma de energias. 2.4.1. Ciclo termodinâmico e o ambiente O ciclo termodinâmico geralmente é aplicado nas máquinas operadas nas indústrias. Este ciclo consiste na reciclagem da energia e fluidos que se encontram a circular nos motores térmicos e bombas térmicas. Neste ciclo termodinâmico, o fluido passa por diversas transformações físicas transformando a energia em calor (no caso dos motores térmicos) ou removendo continuamente calor de uma fonte fria (no caso das bombas de calor). As transformações físicas ocorrem num circuito fechado. No caso dos motores térmicos, o combustível que é queimado gera calor que aquece o fluido do circuito fechado. O calor que sobra do fluido é transferido a um fluido frio. E a partir de uma bomba hidráulica, o fluido já aquecido volta à caldeira, completando o ciclo. Este processo de recuperação dos fluidos é muito importante do ponto de vista ambiental, pois os motores não despejam os fluidos remanescentes ao meio ambiente preservando deste modo a saúde ambiente. Ou seja, os ciclos termodinâmicos evitam poluição e contaminação dos solos, das águas, do ar. Portanto, a contenção da poluição ou contaminação do ar faz-se através da não libertação do calor ao ambiente.

2.4.2. Ciclo de potência A energia pode ser transferida sob a forma de trabalho. E a taxa correspondente a essa transferência dá-se o nome de taxa de potência. E se este processo ocorrer duma forma reversível recebe o nome de ciclo de potência. Os ciclos de potência podem ser classificados em ciclo de Rankie, ciclo de Carnot a vapor e ciclo com reaquecimento.

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Ciclo de Rankie No ciclo de Rankie verifica-se a mudança de fase do fluido de trabalho ( fase líquida para a fase de vapor) . Neste ciclo, a bomba necessita de pouca energia para puder fornecer a água a alta pressão à caldeira. Entretanto, durante o processo de transformação do liquido em vapor, pode-se formar pequenas gotas de líquidos que podem danificar as pás da turbina. Ciclo Carnot No ciclo Carnot converte-se eficientemente o calor em trabalho. Este ciclo consiste em: 

Comprimir a mistura liquido-vapor que sai do condensador. Durante esta compressão existe a separação das duas fases. A fase liquida é comprimida por uma bomba hidráulica e a gasosa por um compressor.



E juntar novamente a fase líquida e gasosa, na entrada da caldeira.

Durante este processo gasta-se muita energia em virtude de se comprimir separadamente as duas fases. Seria económico transformar as duas fases (líquida) em líquida que sai da turbina e daí pressurizar o líquido. Mas este procedimento levaria a danificação das máquinas por causa da formação de gotículas líquidas. Ciclo de reaquecimento Para se evitar a formação de gotículas líquidas, recorre-se ao ciclo com reaquecimento. Este ciclo consiste em: 

Reaquecer à pressão, o vapor que passa através da turbina,



Aumentar a temperatura. Este aumento da temperatura visa controlar ou eliminar o problema de humidade na turbina.

Ciclo com regeneração Este ciclo consiste em reduzir a quantidade de energia gasta para o aquecimento da água através do processo de pré-aquecimento. Este processo faz-se antes da

água entrar na

caldeira. Durante este processo extrai-se uma quantidade de vapor enquanto ele se expande na turbina e mistura-se com água enquanto sai do primeiro estágio de bombas. Isso evita

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condensar todo o vapor no condensador e também evira aumentar a quantidade de energia perdida do equipamento.

Unidade 3: A energia e o meio ambiente 3.1. Fontes de energia na ecosfera O homem obtém energia a partir de diferentes fontes para o desenvolvimento das suas actividades diárias, nomeadamente: na cozinha, no transporte, aquecimento de água para tomar banho, na área de transportes etc. Essas fontes podem ser renováveis e não-renováveis. Fontes renováveis: são aquelas que fornecem a energia duma forma infinita. Ex.: marés, elementos radioactivos, compostos orgânicos, biomassa (cana-de-açúcar e lixo orgânico), electrólise da água. Fontes não-renováveis: são aquelas que fornecem a energia duma forma finita. Ex.: depósitos naturais de petróleo, gás natural e carvão, óleo cru sintético e gás natural sintético, uranio, tório, etc. Portanto, diante das duas fontes energéticas, o homem tem recorrido bastante as nãorenováveis para desenvolver suas actividades diárias. Mas ele poderia usufruir das fontes energéticas renováveis como, por exemplo, os resíduos de diversa natureza que o mesmo produz diariamente. Provavelmente o não uso destes resíduos pode estar aliado ao desconhecimento de tecnologias capazes de transformar por exemplo, a biomassa em combustíveis. E o uso de fontes renováveis é ambientalmente sustentável porque conduz a maior redução de resíduos sólidos na cidade e consequentemente promove o melhoramento da saúde pública, aumenta a renda familiar e do país. As fontes não-renováveis podem se esgotar a qualquer momento devido ao aumento da taxa de natalidade. Mas para revertemos essa situação, devemos recorrer as fontes renováveis.

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3.2. Fluxo de energia No ecossistema, a energia passa ao longo da cadeia de um nível trófico para o outro, tal como se sucede com a matéria. Entretanto, a diferença que existe é que a energia é transformada em calor e este é perdido no ambiente, mas não é reciclado. Já a matéria é reciclada por meio de ciclos biogeoquímicos. Redes e fluxos tróficos O fluxo da energia se processa da seguinte maneira: A energia é absorvida pelas plantas para a síntese da matéria orgânica e depois é transformada em energia potencial que é armazenada nos alimentos (fotossíntese). Através das enzimas, os seres heterotróficos transformam a matéria orgânica produzida pelas plantas em substâncias simples (CO2 e H2O) - respiração. Análise das redes tróficas por classes de tamanho de organismos Na cadeia alimentar os níveis tróficos aumentam com o aumento do tamanho dos organismos, pois os organismos com tamanho menor apresentam maior taxa de natalidade. E com este número elevado de organismo, exige-se maior consumo de energia e maior libertação de energia sob a forma de calor para o ambiente. Fluxos abertos de energia, ciclo de matéria Num ecossistema, o fluxo de energia está relacionado com o ciclo de matéria. Para ambos casos, o sistema é fechado, mas não isolado para a energia. Isto significa que, depois da transferência da matéria ao longo da cadeia alimentar, ela é recuperada através de sucessivos ciclos que se chamam ciclos biogeoquímicos. Mas isso não acontece com a energia, pois durante o processo da sua transformação em outras formas de energia, ela perde sob a forma de calor que não é reciclável. Os animais recuperam a energia através do processo de respiração. 3.3. A eficiência do aproveitamento energético No nosso dia-a-dia deve ser uma prática de o homem estar preocupado em saber quanto é que gasta mensalmente de petróleo, sacos de carvão para aquecer a água, cozinhar alimentos e quanto gasta de gás natural. Esta prática não se pode resumir apenas no controle do gasto de

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petróleo, sacos de carvão e gás, mas, a preocupação deve incidir também na energia gasta para acessar a fonte destes combustíveis. A facilidade de acesso às fontes de combustíveis dáse o nome de eficiência do aproveitamento energético. O grau de eficiência é avaliado pela razão de energia líquida (REL), definida por: REL 

Energia obtida Energia gasta na produção

O valor de REL determina o grau de acessibilidade da fonte energética. Ou seja, quanto maior for REL, menor é a dificuldade de acessar a fonte energética e consequentemente, menor será a energia perdida ao ambiente na prospecção do combustível. A condição para que isso aconteça, é que o REL deve ser maior que um. Por exemplo, o REL da fonte do petróleo para aquecimento doméstico é 4,5. Já o REL da fonte térmica a carvão para aquecimento doméstico é 0,4. Portanto, em termos práticos, significa que, polui-se mais ao ambiente quando se está a extrair o carvão do que quando se está a extrair o petróleo porque a fonte térmica a carvão é menos acessível em relação a do petróleo. Daí que liberta-se grandes quantidade de energia ao ambiente durante a sua extracção. Em termos conclusivos, podemos afirmar que as fontes renováveis possuem a razão de energia líquida (REL) maior que um.

Unidade 4: Princípios da termodinâmica ambiental Pode-se definir princípios termodinâmicos como sendo um conjunto de regras que ditam o funcionamento dos sistemas. Esses princípios termodinâmicos podem ser classificados em princípio de dependência interactiva; princípio de emergência de uma entidade global, nova em relação aos elementos e interactiva com o seu ambiente e princípio de um efeito de retorno do todo sobre as partes. 

O princípio de dependência interactiva defende que todos elementos que constituem um sistema estão inter-relacionados. Ou seja, nenhum elemento funciona sem o outro. Portanto, qualquer acção feita sobre um elemento afecta os restantes.

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

O princípio de emergência de uma entidade global, nova em relação aos elementos e interactiva com o seu ambiente defende que os sistemas não se encontram fechados e nem isolados, admitindo que os elementos integrantes do sistema interajam com os outros elementos que se encontram no ambiente.



O princípio de um efeito de retorno do todo sobre as partes defende que um elemento isolado dos outros não funciona bem em virtude da “união” dos outros elementos. Aliás, como tem-se dito, a união faz a força. Então, um elemento que se “atrever” a funcionar sozinho é-lhe retido todo o seu poder pelos elementos que formaram um conjunto.

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5. Conclusão Os ecossistemas não são sistemas completamente fechados, pois durante a transformação de energia em outras formas, verifica-se a depreciação da mesma apesar de quantitativamente se manter. Esta energia é libertada ao ambiente. A energia libertada causa graves problemas ao ambiente, nomeadamente, elevação do efeito de estufa ocasionando aquecimento global. Esta posição encontra apoio na primeira e segunda leis da termodinâmica. Os elementos que constituem os ecossistemas são interdependentes. E o seu funcionamento é regido pelos princípios termodinâmicos. As leis discutidas neste ensaio sobretudo relacionada com a lei da conservação da massa, ajudam-nos a perceber que os resíduos sólidos produzidos nas nossas casas, indústrias, mercados, lojas podem ser transformados em coisas úteis para a melhoria da nossa condição sócio-económica e na preservação do meio ambiente. É importante aliarmos a preocupação no controle do consumo da energia nas nossas casas, industrias, etc. e a quantidade da mesma gasta na extracção dos combustíveis nas diferentes fontes energéticas. E também precisamos de explorar bastante as fontes renováveis porque a qualquer momento, as não-renováveis podem se esgotar e consequentemente o seu acesso ser difícil. Portanto, sendo difícil o acesso destas fontes, a extracção dos recursos energéticos exigirá maior gasto de energia e libertação da mesma ao ambiente. E isso acarretará sérios problemas ambientais.

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Bibliografia BRAGA, Benedito et al. (2005). Introdução à Engenharia Ambiental. 2ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall. FERNANDES, Fabiano A.M; PIZZO, Sandro M; JR, Deovaldo Moraes. (2006). Termodinâmica Química. FRONTIER, Serge. (2001). Os Ecossistemas. Lisboa: Instituto Piaget. MORAN, Michael J; SHAPIRO, Howard N. Princípios de Termodinâmica. 4a ed. LTC: Rio de Janeiro. POTTER, Merle; SCOTT, Elaine. (2006). Termodinâmica. São Paulo: Thomson Leranig. WYLEN, Gordon J. Van; SONNTANG, Richard E; BORGNAKKE, Claus. (1995). Fundamentos da Termodinâmica. Edgard Blucher: São Paulo. TERRON, Luiz Roberto. (2009). Termodinâmica Química Aplicada. Barueri, SP: Manole.