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Professor
Elder Latosinski
As Leis da
Termodinâmica
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE
Elder Latosinski
Um pouco de história
A termodinâmica nasceu da
relação entre calor e trabalho.
Antes do uso do calor, o homem gerava
energia através de esforço muscular ou
animal. Uma das formas mais eficientes
de geração de energia eram as rodas
d’água.
Elder Latosinski
Um pouco de história
Engenho de cana movido a tração animal
Elder Latosinski
Um pouco de história
Exemplo de uma roda d’água
Elder Latosinski
Um pouco de história
Eolípila de Herão
Elder Latosinski
Um pouco de história
Usinas nucleares: sistemas termodinâmicos
Conceitos Fundamentais
O que é um sistema?
É um corpo ou um conjunto de corpos que
iremos estudar.
E o resto?
O que não pertence ao sistema é chamado
de vizinhança.
Elder Latosinski
Energia Interna (U)
A energia interna é uma função inerente
ao estado do sistema e representa a
somatória das seguintes energias:
*energia cinética de translação e rotação das
moléculas;
*energia de vibração das moléculas;
*energia potencial de interação molecular;
*energia dos elétrons;
Energia Interna (U)
Gases monoatômicos
Calor (Q)
Trabalho (W)
VpW .
Trabalho (W)
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Considere um sistema gasoso evoluindo
de um estado inicial (i) para um estado
final (f), segundo uma transformação
gasosa qualquer. A diferença entre o calor
Q trocado entre o sistema gasoso e sua
vizinhança e o trabalho W realizado é igual
à variação U em sua energia.
WQU
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Em outras palavras, uma dada quantidade
de energia não pode ser criada nem
destruída, mas apenas transformada de
uma forma em outra.
ou
A energia total do Universo é constante.
Convenção de sinais
O sistema absorve calor Q é positivo
O sistema cede calor Q é negativo
Trabalho realizado pelo gás
W é positivo
Trabalho realizado sobre o gás
W é negativo
Exemplo
Exemplo
Aplicações da 1ª Lei
Isotérmica
Não há variação da energia interna. O calor
absorvido é utilizado na realização de trabalho.
Aplicações da 1ª Lei
Isovolumétrica
Como não há expansão, não houve realização
de trabalho.
Isobárica
Como há expansão, houve realização de
trabalho e variação da energia interna.
Aplicações da 1ª Lei
Adiabática
O gás realiza trabalho mas não recebe e nem
libera calor.
Aplicações da 1ª Lei
Compressão Adiabática:
A temperatura e a pressão aumentam;
Expansão Adiabática:
A temperatura e a pressão diminuem;
Observações
Poque uma bomba de encher pneus aquece
ao ser usada?
Enchendo-se o pneu
de uma bicicleta com
uma bomba
convencional
apropriada para esse
fim, o corpo da bomba
se aquece,
evidenciando que o
trabalho realizado pelo
operador provoca
aumento na energia
interna do ar contido
no dispositivo.
Porque ao tocar na pele o jato de um
desedorante aerosol é “frio”?
Apertando-se a válvula
do desodorante
aerossol, verifica-se
que a temperatura do
jato que sai dele é
mais baixa do que a da
lata.
Isso ocorre pois há
uma expansão
adiabática do material,
assim ele realiza
trabalho e há uma
diminuição de sua
energia interna.
Diagramas Termodinâmicos
Diagramas Termodinâmicos
Diagramas Termodinâmicos
TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
É o conjunto em que, após seu término, a
massa gasosa encontra-se exatamente no
estado em que se encontrava inicialmente.
TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
1ª Etapa – Transformação isobárica (AB)
A água se vaporiza à pressão constante,
aumentando seu volume
2ª Etapa – Expansão adiabática(BC)
O vapor se expande realizando trabalho. Como
as hélices da turbina e o vapor estão à mesma
temperatura e a transformação ocorre
rapidamente, não há troca de calor.
3ª Etapa – Transformação isobárica (CD)
O vapor passa para o estado líquido, trocando
calor com o meio e diminuindo o volume à
pressão constante.
4ª Etapa – Transformação isovolumétrica (CD)
A bomba, ao comprimir a água, aumenta sua
pressão até que esta se iguala à pressão do
interior da caldeira. Pelo fato da água ser
praticamente incompressível, podemos
considerar este processo isométrico.
Num ciclo, quando a pressão não for constante, o
trabalho será dado pela a área do gráfico. No
ciclo horário o trabalho é positivo e no ciclo anti-
horário o trabalho é negativo.
CICLO COMPLETO
Elder Latosinski
MÁQUINAS TÉRMICAS
convertem calor em trabalho mecânico
Elder Latosinski
Máquina térmica do começo do século XX
Elder Latosinski
2ª Lei da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin – Planck:
É impossível construir uma máquina
operando em ciclos, cujo único efeito
seja retirar calor da fonte quente e
convertê-lo integralmente em trabalho.
Como um barco a vapor consegue navegar?
Barco a vapor é uma embarcação propelida por um motor a
vapor que aciona rodas de água (um conjunto de pás).
O barco apresentado em aula se move a partir da
transformação de energia térmica em mecânica.
Elder Latosinski
Motor a combustão
4 tempos
Elder Latosinski
1) ADMISSÃO
A válvula de
admissão se abre, a
mistura de
ar+combustível
entra no cilindro
enquanto o pistão
(ou êmbolo) desce.
2) COMPRESSÃO
A válvula de admissão se fecha,
o pistão sobe, comprimindo no
alto do cilindro a mistura
ar+combustível. Como essa é
uma compressão muito rápida,
não há tempo de haver troca de
calor entre a mistura combustível
e o ambiente, isto é, trata-se de
uma compressão adiabática e
por causa disso, a temperatura
da mistura aumenta.
3) EXPLOSÃO
A vela de ignição dispara uma
centelha elétrica provocando a
combustão rápida (explosão) da
mistura ar+combustível. Essa
explosão gera calor e a
conseqüente expansão dos
gases dentro do cilindro,
empurrando para baixo o
pistão. Note que, dos quatro
tempos, esse é o tempo em que
há realização de trabalho feito
pelo gás.
4) DESCARGA
(OU EXAUSTÃO)
A válvula de
descarga se abre
enquanto o pistão
sobe empurrando
o gás queimado
(fumaça) para
fora do cilindro.
Elder Latosinski
Ciclo de Carnot
Elder Latosinski
Elder Latosinski
Referências
- HEWITT, Paul G. FÍSICA Conceitual. 9ª edição. Porto Alegre:
Bookman, 2002.
- MÁXIMO, Antônio. ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física 2. São
Paulo: Scipione, 2007.
- GASPAR, Alberto. Física – Eletromagnetismo e Física Moderna 2.
São Paulo: Ática, 2003.
- http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/index.html
