Termodinâmica Prof. Marcos G Degenhardt. Introdução Os primeiros registros de inventos que...

TermodinâmicaTermodinâmica

Prof. Marcos G Degenhardt

Introdução

Os primeiros registros de “inventos” que utilizam o calor para gerar algum tipo de movimento ou trabalho estão associados à Heron, da cidade de Alexandria.

Introdução

São dignas de menção duas das suas invenções: o eolipílio e a porta automática do templo da deusa Diana.

Introdução

O eolipílio era um dispositivo contendo um liquido – água – que ao ser elevada à vaporização fazia com que o mesmo entrasse em rotação.

Introdução

A porta do templo, que abria automaticamente após a chama ser acesa sobre o altar em homenagem à deusa da fertilidade: Diana.

Introdução

Muito tempo passou até que a utilização do fogo e do vapor fosse utilizado para a realização de trabalhos, inicialmente a extração de água de minas de carvão, na máquina de Thomas Savery.

Introdução

A máquina de Thomas Savery, basicamente injetava vapor num cilindro, depois o cilindro era resfriado o que produzia uma redução de pressão, que sugava a água do fundo da mina.

Introdução

Máquina de Thomas Savery em funcionamento.

Introdução

A próxima melhoria da foi realizada por Thomas Newcomen. O vapor produzido era introduzido no cilindro, empurrando o êmbolo para cima, em seguida era injetada água fria que puxava o êmbolo para baixo novamente.

Introdução

Máquina de Newcomen em funcionamento.

Introdução

James Watt, aperfeiçoou ainda mais a máquina, reutilizando a água injetada no cilindro, resfriando-a.

Introdução

Máquina de James Watt em funcionamento.

Introdução

James Hargreaves, elabora a fiandeira, primeiro passo para os teares da revolução industrial.

Introdução

O francês Nicolas Cugnot adaptou uma máquina térmica a um chassis e inventou o automóvel que atingia 3,2 km/h e que, segundo lenda bateu num muro.

IntroduçãoEm seguida, Richard Trevithick, adaptou uma máquina a vapor sobre uma plataforma, criando a locomotiva.

Introdução

Não muito tempo depois, Robert Fulton adaptou a máquina a vapor a um barco, criando o navio à vapor.

Introdução

Após estas invenções, o vapor passou a ser mundialmente utilizado, e as máquinas aperfeiçoadas.

Trabalho

Quando um gás se expande, por receber calor, o trabalho realizado depende de quanto o volume do gás aumentou.

Volume Inicial

Volume Final

Trabalho

Se o volume do gás:

Aumentar o gás realiza trabalho (+)

Diminuir o gás recebe trabalho ( – )

Cálculo do Trabalho

Utiliza-se:

Onde:

W = Trabalho (Joules) [J]

p = pressão (Pascal ou Newton/metro2) [Pa]

V = volume (metros3) [m3]

VpW *

Exemplo

Um recipiente contém 150 litros de ar sob pressão de 1 atm. Que trabalho o gás realiza se ele for aquecido e o volume aumentar para 200 litros?

Solução

•Dados:

•V0 = 150 l = 0,15 m3

•V = 200 l = 0,2 m3

•p = 1 atm = 100 000 Pa.

0,15 m3

0,2 m3

JW

mmPaW

VVpVpW

5000

05,0*100000)15,02,0(*100000

)(**33

0

Trabalho em Transformações Quaisquer

Num gráfico pressão x volume, o trabalho realizado por uma transformação corresponde à área sob a linha do gráfico.

Área

Exemplo

Dada a transformação representada pelo gráfico ao lado. Determinar o trabalho realizado na transformação de A a C

Solução

Inicialmente se observa que a figura pode ser repartida em duas partes – duas áreas: Área 1

Área 2

Solução

•A área 1 corresponde a um trapézio, logo:

Área 1

JW

W

W

BhH

WNum

100

2*2

100

)13(*2

2080

*2

1

1

1

1

Solução

•A área 2 corresponde a um retângulo, logo:

Área 2

JW

W

W

BhWNum

40

2*20

)35(*20

*

2

2

2

2

Solução

•O trabalho total corresponde à soma de todas as áreas, logo:

Área 2

JW

JJW

WWW

140

4010021

Transformações Particulares

Transformação Isobárica

Transformação Isométrica

Transformação Isotérmica

Transformação Adiabática

Trabalho Transformação Isobárica

Nesta transformação a pressão se mantém constante. O trabalho é calculado por:

Retângulo do Área

*

Num

W

ou

VpW

Exemplo

O gráfico abaixo representa no trecho AB uma transformação isobárica. Qual o trabalho realizado pelo gás?

Solução

O trabalho realizado pelo gás corresponde à área sob o gráfico. Então:

JW

W

hbW

WNum

30000

100000*3,0

10.1*)2,05,0(*

Retângulo do Área5

Trabalho Transformação Isométrica

Nesta transformação o volume se mantém constante. O trabalho é nulo.

0 então

0 mas

*

0

W

VVV

VpW

Exemplo

O gráfico abaixo representa no trecho BC uma transformação isométrica. Qual o trabalho realizado pelo gás?

Solução

O trabalho realizado pelo gás corresponde à área sob a linha BC. Então:

JW

W

W

VpW

0

0*10.4

)5,05,0(*)10.110.4(

*

5

55

Trabalho Transformação Isotérmica

Nesta transformação a temperatura se mantém constante. O trabalho é calculado por:

1

2ln***V

VTRnW

Exemplo

O gráfico abaixo uma transformação isotérmica de 5 mols, que ocorre sob temperatura de 500K. Qual o trabalho realizado pelo gás?

Solução

Dos dados:

n = 5 mols

R = 8,31 J/mol.K

T = 500 K

V1 = 1 m3

V2 = 4 m3

JW

W

W

V

VTRnW

28800

3863,1*207754ln*20775

1

4ln*500*31,8*5

ln***1

2