TermodinâmicaCalor Movimento

Revolução Industrial (Século XVIII)

Revolução Industrial

• Nasceram as fábricas e as grandes cidades, os novos meios detransporte, as novas ideologias e doutrinas econômicas,políticas e sociais – um novo Mundo fruto da revoluçãoindustrial

• A termodinâmica, que estuda a transformação de energiatérmica em energia mecânica ou vice-versa, é a origem e oresultado dessa revolução que mudou radicalmente a históriada humanidade.

Revolução Industrial

James Joule (em 1868) – Experimento do equivalente mecânico da caloria.

Denis Papin (1647-1714) – Físico francês que construiu uma máquina a

vapor em 1690.

Thomas Newcomen (1663-1729) – Inglês que construiu sua máquina a

vapor em 1712.

James Watt (1732-1819) – Escocês que aperfeiçoou a máquina térmica de

Newcomen.

• James Joule (em 1868) – Experimento do equivalente mecânico dacaloria.

• 1cal = 4,186 J

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

Fonte quente

Fonte fria

Trabalho

Ciclo

De onde a

máquina retira

calor QHot.

Para onde a

máquina rejeita

calor QCold

A máquina de Denis Papin

1647 - 1712

Máquina a vapor• Poucas invenções tiveram maior influência na história dos tempos

modernos que a da máquina a vapor. Ao contrário do que geralmente sepensa, não foi a causa inicial da Revolução Industrial, mas sim, em parte,efeito desta

De modo geral, nós separamos uma certa quantidade de material que

desejamos analisar. A esse material chamamos de sistema, que pode

estar isolado (ou não) da sua vizinhança. A interação com a vizinhança

pode ser de vários tipos: trocando calor, trocando trabalho, ou ambos

os casos simultaneamente

Vizinhança do sistema.

O que fica fora da fronteira

Sistema isolado

Sistema que não troca energia

nem massa com a sua vizinhança.

Sistema fechado

Sistema que não troca massa com a

vizinhança, mas permite passagem

de calor e trabalho por sua fronteira.

Calor e trabalho

Calor e trabalho

Calor Q é energia em trânsito de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles.

Trabalho τ é a energia que é transferida de um sistema para outro de tal modo que a diferença de temperatura dos sistemas não esteja envolvida.

• As grandezas Q(calor) e τ (trabalho) não são características do estadode equilíbrio do sistema, mas sim dos processos termodinâmicospelos quais o sistema passa quando vai de um estado de equilíbrio

para outro.

Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2

Variáveis de

estado

Variáveis de

estado

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura constante

Isobárico Pressão constante

Isovolumétrico volume constante

Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Trabalho de um gás

• Transformação Isobárica

p = Pressão (N/m² ou Pascal)

∆V = Variação de volume (m³)

Quando:

• o volume aumenta no sistema, o trabalho é positivo, ou seja, é realizado sobre o meio em que se encontra (como por exemplo empurrando o êmbolo contra seu próprio peso);

• o volume diminui no sistema, o trabalho é negativo, ou seja, é necessário que o sistema receba um trabalho do meio externo;

• o volume não é alterado, não há realização de trabalho pelo sistema

Diagrama p x V

• É possível representar a tranformação isobárica de um gás através de um diagrama pressão por volume

• O trabalho realizado é numericamente igual à area sob a curva do gráfico (em azul na figura).

Exemplo:

3)Um gás ideal de volume 12m³ sofre uma transformação, permanecendo sob pressão constante igual a 250Pa. Qual é o volume do gás quando o trabalho realizado por ele for 2kJ?

4) Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo:

Qual o trabalho realizado por este gás?

O trabalho realizado pelo gás é igual a área sob a curva do gráfico, ou seja a área do trapézio azul.

Sendo a área do trapézio dado por:

Trabalho de um gás

Casos Particulares

• Transformação Isotérmica

Q = τ

• Transformação Isovolumétrica

τ = 0

• Logo, Q = ΔU

U = Energia interna (energia cinética das moléculas)

∆U = Variação da energia interna

Q = Calor

T = Trabalho

• Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação deenergia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever ocomportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformaçãotermodinâmica.

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Primeira Lei da Termodinâmica

Calor Trabalho Energia Interna Q/ T/ΔU

Recebe Realiza Aumenta >0

Cede Recebe Diminui <0

não trocanão realiza e nem

recebenão varia =0

5) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?

6) O gráfico abaixo ilustra uma transformação 100 mols de gás ideal monoatômico recebem do meio exterior uma quantidade de calor 1800000 J. Dado R=8,31 J/mol.K.

Determine:

a) o trabalho realizado pelo gás;

b) a variação da energia interna do gás;

c) a temperatura do gás no estado A.

a) O trabalho realizado pelo gás é dado pela área do trapézio sob a curva do gráfico, logo:

b) Pela 1ª lei da termodinâmica têm-se que:

c) Pela equação de Clayperon, temos que:

n = 100 mols

R= 8,31 J/mol.K

E pela leitura do gráfico:

p = 300000 N/m²

V = 1m³

∆U = Q - T

Gás Expansão nulaT = 0

Δ U = Q = (mc)gás ΔT

Como (mc)gás = ctc

ΔU depende apenas

de ΔT.

ΔT = 0 → ΔU = 0

ΔT > 0 → ΔU > 0

ΔT < 0 → ΔU < 0

Como U é uma

variável de

estado, ΔU não

depende do

processo.

A energia interna de um gás é função apenas

da temperatura absoluta T.

Primeira Lei

1a Lei da

Termodinâmica

A energia total do Universo,

com ou sem transformações,

permanece constante.

2a Lei da

Termodinâmica

A disponibilidade de energia para

realização de trabalho diminui

após cada transformação -

Irreversibilidade

2a Lei da Termodinâmica

W = Q1 – Q2

2a Lei Termodinâmica Formulação de Kelvin-Planck

É impossível construir uma

máquina térmica com

eficiência 100%.

2a Lei da Termodinâmica

2

1

TW = = 1 - < 1

Q1 T

2a Lei da Termodinâmica

Segunda Lei

Formulação de Clausius

É impossível existir transferência

espontânea de calor de uma fonte

fria para outra quente.

Formulação de

Clausius

Formulação Kelvin-

Planck

- Ambas são afirmações negativas.

- Não podem ser demonstradas.

- Baseiam-se em evidências experimentais.

2a Lei da Termodinâmica

Máquinas Térmicas

• As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor emtrabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturasdiferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fontefria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.

Máquinas Térmicas

• As máquinas térmicas de resfriamento: Neste caso, o fluxo de caloracontece da temperatura menor para o a maior.

• A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas nãotransformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de umamáquina térmica é sempre inferior a 100%.

Rendimento das máquinas térmicas

• Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:

• n =rendimento;

• T= trabalho convertido através da energia térmica fornecida;

• Q1 = quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento;

• Q2=quantidade de calor não transformada em trabalho.

Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%.

Rendimento de um Refrigerador

Q1 = T + Q2

Para um refrigerador, define-se a eficiência e pela relação:

e = Q2 / W

ou, usando a expressão acima:

e = Q2 / [ Q1 – Q2 ]

• Exemplo:

• Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?

• Um exemplo comum de aplicação das leis da Termodinâmica é o motor de quatro tempos. Neste tipo de sistema, a energia é fornecida em forma de calor, pela queima do combustível.

• Trata-se de um sistema aberto. Isto porque troca massa com o meio externo, ao longo de um ciclo completo. Mas se tratarmos isoladamente cada um dos quatro processos que ocorrem basicamente nele,podemos considerá-los como sistemas fechados ou isolados, em cada caso especial.

A construção de uma máquina ideal Processo reversível.

Um processo é reversível quando pode partir do estado final e alcançar o estado

inicial usando os mesmos micro-estados que utilizou para alcançar o estado final.

Processo reversível:desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

2a Lei da Termodinâmica - Entropia

Causas que tornam um processo irreversível.

AtritoExpansão não resistida.

Troca de calor com diferença finita de temperatura.

Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, etc.

Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

2a Lei da Termodinâmica - Entropia

Quando um corpo recebe calor a

sua entropia aumenta.

∆S = QT 0

Aumenta a EC e/ou a

agitação molecular

Aumenta a “desordem”

A entropia é a medida da desordem

Entropia e a desordem

Entropia

QS = > 0

T