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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