DISCIPLINA DE FÍSICA

PROFESSOR MARCOS AURÉLIO

TERMOLOGIA – TERMODINÂMICA

UNIDADE 7: TERMODINÂMICA (RESUMO 7)

1- TERMODINÂMICA:

Constitui a divisão da TERMOLOGIA que estuda as relações entre as quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados ou recebidos em processos físicos que envolvem um sistema gasoso e o meio externo.

2- TRABALHO TERMODINÂMICO: Os estudos da termodinâmica aplicam-se a inúmeras áreas do conhecimento, tais como:

Constitui o trabalho realizado ou recebido por um

sistema físico gasoso.

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1-MÁQUINAS TÉRMICAS: que convertem calor em trabalho.

2- MÁQUINAS DE REFRIGERAÇÃO: que recebem trabalho e liberam calor.

3- ESTUDOS DE QUÍMICA: estudo da espontaneidade e dos mecanismos de reações químicas.

OBSERVAÇÕES SOBRE O TRABALHO

TERMODINÂMICO:

A dedução da equação que permite calcular o trabalho termodinâmico (W) em função da pressão (P) exercida pelo gás e da variação de volume (∆V) se dá conforme abaixo descrito:

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1°- Se o gás se expande, esse realiza trabalho:

2°- Se o gás se contrai, esse recebe trabalho:

3°- Em um gráfico de pressão (P) versus volume

(volume), o trabalho é numericamente igual a área do

gráfico:

4°- Em uma transformação cíclica o trabalho é

numericamente igual a área do ciclo:

5°-Em uma transformação isocórica (volume

constante) o trabalho é nulo:

O gás não se expande nem se contrai, portanto,

respectivamente não realiza e não recebe.

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7°- Em uma transformação isotérmica (temperatura

constante) o trabalho pode ser calculado também pela

seguinte equação:

6°-Em uma transformação isobárica (pressão constante)

o trabalho pode ser calculado também pela seguinte

equação:

3- PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA:

A variação de energia interna (∆U) sofrida por um

gás corresponde a diferença entre a quantidade de

calor (Q) trocada pelo gás e o trabalho (W) realizado

ou recebido por esse.

3.1- OBSERVAÇÕES SOBRE A PRIMEIRA LEI DA

TERMODINÂMICA:

1°- A energia interna de um gás (U) é composta

conforme o descrito no esquema abaixo:

2°- Para gases ideais monoatômicos, a energia

interna (U) do gás é determinada somente pela

energia cinética translacional das moléculas do gás

(Ec).

3°- Na prática é impossível medir a energia interna de um gás

ideal. O que se consegue medir é a variação da energia

interna durante um processo termodinâmico.

1°-TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA:

Em uma transformação isotérmica todo calor recebido é

transformado em trabalho:

3.2- APLICAÇÕES DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA:

2°-TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICA:

Em uma transformação isocórica todo calor

recebido é empregado para elevar a energia interna

do gás.

Para calcular a quantidade de calor em uma transformação isocórica podemos empregar a equação abaixo deduzida:

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3°-TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA:

Em uma transformação isobárica a diferença entre a

quantidade de calor recebido e o trabalho realizado

corresponde a variação de energia interna sofrida pelo gás.

Para calcular a quantidade de calor em uma transformação

isobárica podemos empregar a equação abaixo deduzida:

RELAÇÃO DE MAYER: Relaciona os calores específicos

molares a pressão e volume constante.

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5°-TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA:

Em uma transformação cíclica o gás após sucessivas

transformações gasosas retorna ao seu estado inicial

em termos de condições de pressão, volume e

temperatura. Deste modo, como as temperaturas inicial

e final são as mesmas, não ocorre variação de

temperatura, ou seja, não ocorre variação d energia

interna no gás, assim sendo, todo o calor recebido pelo

gás é convertido em trabalho.

4°-TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA:

Em uma transformação adiabática o gás não troca calor

com o meio externo, deste modo, esse realiza trabalho

consumindo sua energia interna, ou recebe trabalho

aumentando sua energia interna.

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A transformação adiabática pode ocorrer quando um gás contido no interior de um recipiente isolado termicamente sofre compressões e expansões muito rápidas, tais que, as trocas de calor com o meio externo possam ser consideradas desprezíveis.

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4- MÁQUINAS TÉRMICAS:

Para que uma máquina térmica consiga converter calor em

trabalho, de modo contínuo, deve operar em ciclos entre

duas fontes térmicas, uma quente (fonte de calor) e outra fria

(sistema de refrigeração).

A máquina térmica retira calor da fonte quente (Q1 )

converte-o parcialmente em trabalho (W) e rejeita o restante

para a fonte fria (Q2).

As máquinas térmicas invertidas são dispositivos nos quais

um gás de refrigeração é comprimido recebendo trabalho do

meio externo (compressor), esse gás comprimido absorve

calor do meio interno e se expande, sendo em seguida

comprimido, nessa etapa o gás libera o calor do meio interno

(mais frio- menor temperatura) para o meio externo (mais

quente-maior temperatura).

5- SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA:

O trabalho realizado (W) por uma máquina térmica

corresponde a diferença entre o calor recebido da

fonte quente (Q1) e a quantidade de calor rejeitada

para a fonte fria (Q2).

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O rendimento de uma máquina térmica, expressa a eficiência

com que essa máquina térmica transforma calor em trabalho.

5.1- RENDIMENTO TERMODINÂMICO:

O rendimento de uma máquina térmica, expressa a relação

entre o trabalho realizado (W) e a quantidade de calor

recebido (Q1):

Em 1824 Sadi Carnot idealizou um ciclo que proporciona a

avaliação do rendimento máximo de uma máquina térmica

térmica operando entre duas temperaturas pré –fixadas.

5.2- CICLO DE CARNOT:

O ciclo de Carnot consiste em duas transformações

isotérmicas intercaladas com duas adiabáticas, todas elas

reversíveis, sendo o ciclo também revesível.

1°- O ciclo de Carnot se percorrido no sentido horário

constitui uma “máquina térmica de Carnot”

2°- O ciclo de Carnot se percorrido no sentido anti-horário

constitui um “refrigerador de Carnot”

EXPANSÃO ISOTÉRMICA (1→2): O gás retira calor da fonte quente (Q1) se expande e realiza trabalho termodinâmico (W), esse processo ocorre sob temperatura constante da fonte quente (T1), portanto: (∆T=0) e (∆U=0).

COMPRESSÃO ISOTÉRMICA (3→4): O gás se contrai, recebe trabalho termodinâmico (W) e cede calor para a fonte fria (T1), esse processo ocorre sob temperatura constante da fonte fria (T2), portanto: (∆T=0) e (∆U=0).

EXPANSÃO ADIABÁTICA (2→3): O gás se expande e realiza trabalho termodinâmico (W), nesse processo ocorre diminuição da temperatura da fonte quente (T1) para a temperatura da fonte fria (T2) portanto: (∆T<0) e (∆U<0) (resfriamento).

COMPRESSÃO ADIABÁTICA (3→4): O gás se contrai e recebe trabalho termodinâmico (W), nesse processo ocorre aumento da temperatura da fonte fria (T2) para a temperatura da fonte quente (T1) portanto: (∆T>0) e (∆U>0) (aquecimento).

A segunda lei da termodinâmica pode ser

enunciada conforme o proposto por Kelvin:

5.3- OBSERVAÇÕES SOBRE A SEGUNDA LEI

DA TERMODINÂMICA :

“É impossível construir uma máquina

térmica que operando em ciclos, retire

calor de uma única fonte e o transforme

integralmente em trabalho.”

“É impossível construir uma máquina

térmica que apresente um rendimento

igual a 100 %.”

OU:

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Os refrigeradores são máquinas térmicas invertidas, pois,

retiram calor de uma fonte fria e o transferem para uma

fonte quente. Isto só se sucede porque ocorre trabalho

externo realizado pelo compressor sobre o gás refigerante.

5.4- MÁQUINAS TÉRMICAS INVERTIDAS:

O Trabalho (W) é realizado pelo compressor sobre o

gás que retira calor do interior do refrigerador (Q2).

O gás ao receber trabalho (W) irá se condensar

liberando calor (Q1) para o meio externo.

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