Termodinâmica

Termodinâmica

Todas as atividades físicas que realizamos no dia-a-dia (caminhar, deslocar objetos, dançar) podem ser consideradas como trabalho que vai aumentar a energia do ambiente.

Além disso, nós continuamente perdemos energia, irradiando-a na forma de calor, sempre que a temperatura de nosso corpo é maior do que a externa.

Posteriormente, a energia assim perdida é recuperada através dos alimentos e da respiração.Todo sistema pode ser observado do ponto de vista das trocas de energia com o ambiente externo. É esse o aspecto que interessa à Termodinâmica, estuda as leis pelas quais os corpos trocam (cedendo e recebendo) trabalho e calor com o ambiente que os circunda.

A Termodinâmica se ocupa das transformações de calor em trabalho que ocorrem em todos os motores térmicos (motor a explosão, motor a reação, máquina a vapor, etc.).

A Termodinâmica se baseia em duas leis, conhecidas como princípios da Termodinâmica:

O primeiro princípio da Termodinâmica é uma extensão do princípio da conservação da energia mecânica. Além do trabalho, ele inclui também o calor como forma de troca de energia.

O segundo princípio da Termodinâmica estabelece algumas limitações à possibilidade de transformar calor em trabalho. 

Gases ideais

Podemos imaginar um gás como sendo constituído por um grande número de moléculas que guardam grandes distâncias entre si, enquanto que os sólidos e os líquidos consistem de átomos e moléculas intimamente unidos. As moléculas de um gás movimentam-se através do espaço como uma saraivada de pequenas balas.

De vez em quando as moléculas colidem com as paredes do

recipiente exercendo uma força momentânea. Essa sucessão de

choques momentâneos é a pressão que empurra as paredes

do recipiente onde o gás está contido.

Todos os gases têm o mesmo comportamento quando estão bastante rarefeitos e se encontram a uma temperatura muito maior do que aquela em que se tornam líquidos.Para caracterizar o estado de uma certa massa gasosa é necessário o conhecimento de três grandezas: a pressão, o volume e a temperatura.

Provocando-se uma variação em uma dessas grandezas, verifica-se que, em geral, as outras também se modificam e estes novos valores caracterizam um outro estado do gás. Dizemos que o gás sofreu uma transformação ao passar de um estado para outro.

Lei de Boyle-Mariotte - Transformação isotérmicaQuando a temperatura permanece constante, o volume de um gás é inversamente proporcional à pressão.

Lei de Charles e Gay-Lussac - Transformação isobáricaQuando a pressão permanece constante, o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.

Lei de Charles - Transformação isométrica, isocórica ou isovolumétricaQuando o volume permanece constante, a pressão de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.

Considere um gás contido num cilindro cujo êmbolo pode se movimentar livremente e sobre o qual há um peso. Durante qualquer transformação sofrida pelo gás, a pressão se mantém constante, pois não varia o peso colocado sobre o êmbolo. Sejam P a pressão, V1 o volume e T1 a temperatura do gás na situação inicial.Fornecendo calor ao sistema através de uma fonte térmica, o gás se expande, deslocando o êmbolo. Na situação final, o volume do gás é V2 e a temperatura é T2, mantendo-se a pressão constante P.O gás aplicou uma força sobre o êmbolo, deslocando-o e realizando um trabalho W. Sendo DV= V2 - V1 a variação de volume ocorrida, o trabalho realizado pelo gás sobre o meio exterior é dado por W= P. V.

O trabalho é uma grandeza algébrica e assume, no caso, o sinal da variação de volume, uma vez que a pressão é sempre positiva.

Numa expansão, a variação de volume é positiva e, portanto, o trabalho realizado é positivo. Como o trabalho representa uma transferência de energia, o gás, ao se expandir, está perdendo energia, embora a esteja também recebendo, sob a forma de calor da fonte térmica.

Numa compressão, a variação de volume é negativa e, portanto, o trabalho realizado é negativo. Assim, quando um gás é comprimido, está recebendo energia do meio exterior.

É usual dizer que na expansão o gás realiza trabalho sobre o meio exterior e que na compressão o meio exterior realiza trabalho sobre o gás.

Suponha que você leve uma pedra ao alto de um edifício; você aumenta a energia potencial da pedra. Se você larga a pedra ela cai com velocidade crescente. Sua energia potencial diminuirá, a energia cinética crescerá.

Quando a pedra atinge o solo ela parece perder bruscamente toda sua energia cinética. Na verdade isso não se dá porque as moléculas da pedra e as do solo passam a vibrar mais fortemente.

A energia cinética da pedra é toda transformada em outra forma de energia. (calor e som).

• Durante o ano de 1840, Joule montou várias experiências, com o intuito de demonstrar que uma diminuição da energia mecânica acarretaria a transferência de uma quantidade de energia, na forma de calor, em igual valor.

James Joule (1818-1889)

Seu invento mais famoso foi um dispositivo no qual duas massas presas por um fio passavam por duas roldanas. À medida que as massas desciam, o sistema de haletas girava, fazendo aumentar a temperatura da água no interior do recipiente.

Conhecendo as massas e as distâncias de queda ele determinou o trabalho feito; medindo com precisão o aumento da temperatura da água, ele determinou o calor produzido.Joule pôde, então, estabelecer a relação entre o trabalho e a quantidade de energia transferida na forma de calor.

Transformação da Energia

Energia mecânica

Energia térmica

Determinou que cada 4180 N.m de energia correspondem a 1000 cal. 

James Joule

A unidade Newton. Metro chamou-se de Joule.

1 cal = 4,18J

Todo sistema apresenta uma energia interna bem definida, que depende do estado, ou seja, das condições em que o sistema se encontra. O estado de um gás aprisionado num recipiente, por exemplo, é descrito por meio dos valores de seu volume, de sua temperatura e de sua pressão. Se aquecermos esse gás, seu estado mudará e, em conseqüência, sua energia interna também será alterada.

O gás recebe ou cede calor através da parede do cilindro e realiza trabalho quando o êmbolo se move. Um corpo sobre o êmbolo mantém o gás sob uma certa pressão. Um termômetro instalado no cilindro indica a temperatura do gás.

Tomemos um sistema termodinâmico simples: uma certa porção de gás contida num cilindro com êmbolo móvel.

Fornecendo calor a esse sistema, o gás se expande e realiza trabalho.Os primeiros estudos dos motores térmicos, já mostravam que o trabalho realizado nessa expansão é menor que o calor recebido pelo sistema. Por outro lado, durante a transformação, a temperatura do sistema aumenta, evidenciando um aumento de energia interna.

O primeiro princípio da termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma: A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado é igual ao aumento da energia interna. Algebricamente podemos escrever: U= Q-W Sendo Q o calor recebido pelo sistema numa transformação, W o trabalho realizado por ele e U a variação da energia interna.

Esta equação pode ser aplicada a qualquer sistema, desde que se atribuam sinais algébricos ao calor e trabalho.Q>0 quando o sistema recebe calor.Q<0 quando o sistema fornece calor.W>0 quando o volume do sistema aumentaW<0 quando o volume do sistema diminui.A variação de energia interna é positiva quando a temperatura aumenta e negativa quando a temperatura diminui.

Sempre é possível transformar completamente trabalho em calor. Por exemplo, quando um automóvel freia, o trabalho que foi realizado para colocá-lo em movimento se transforma integralmente em calor pelo atrito dos freios e pelo atrito entre os pneus e a superfície da estrada.

Já a transformação inversa, de calor em trabalho, nem sempre é possível. Ela está sujeita a algumas condições. O segundo princípio da termodinâmica estabelece, basicamente, quais são essas limitações. Ele afirma que: não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente calor em trabalho. Uma parte do calor que o sistema recebe haverá de ser jogada fora.

Máquina Térmica

Por exemplo, o motor de um automóvel pode ser considerado uma máquina térmica que troca calor com duas fontes a temperaturas diferentes. Ele recebe calor da fonte a alta temperatura, constituída pelo cilindro no qual ocorre a combustão da mistura ar-gasolina. Uma parte desse calor é cedida ao ar (a fonte de calor com temperatura mais baixa), em que são despejados o gás de descarga e o calor do radiador. O restante da energia liberada pela combustão da gasolina serve para movimentar o automóvel. O calor descarregado no ar não é utilizado, tendo apenas o efeito de aquecer o ambiente.

O rendimento de qualquer máquina térmica é inferior a 100%. Na realidade, os rendimentos das máquinas térmicas estão situados muito abaixo desse limite. Por exemplo, nas locomotivas a vapor esse rendimento é cerca de 10%, nos motores a gasolina nunca ultrapassa 30% e nos motores Diesel, que estão entre as máquinas mais eficientes, o rendimento situa-se em torna de 40%.

A inevitável perda de energia utilizável devido ao atrito, perda de calor para o meio envolvente, etc., quando o calor é convertido em energia mecânica, deu aos cientistas motivo para exprimirem a proporção de energia que é utilizável para produzir trabalho, como rendimento do sistema.O rendimento expressa-se pela porcentagem de "energia útil", que pode ser extraída de um sistema, da "energia total" do combustível. Por exemplo, o rendimento de um motor a gasolina é de cerca de vinte por cento, quer dizer: por cada litro de gasolina queimada no motor, contendo uma energia calorífica de cerca de seis milhões de calorias, somente cerca de um milhão de calorias são utilizáveis para impulsionar o carro. Dos restantes oitenta por cento, cerca de três oitavos são absorvidos pelo sistema de arrefecimento e cinco oitavos perdidos como calor nos gases de escape e por atrito nos rolamentos.

Por comparação com esses valores, o rendimento de um motor elétrico, quando a energia elétrica é convertida em energia mecânica, é muito maior e pode atingir noventa e cinco por cento.

Ciclo de Carnot

1796 – Sadi Nicolas Léonard Carnotphysicist: pioneer in thermodynamics: discovered the 2nd law of thermodynamics; died Aug 24, 1832

Motor

Um motor de quatro tempos é um motor de combustão interna, uma máquina térmica que transforma energia térmica em energia mecânica

Motores Radiais - são motores de combustão interna de simetria radial, com pistões dispostos em torno de um ponto central na árvore de manivelas. Esta configuração foi muito utilizada para mover as hélices de aeronaves.Estes motores têm sido de utilização principalmente aeronáutica, sendo raros noutros tipos de veículos. Um exemplo de aplicação de um motor de 9 cilindros em estrela num veículo terrestre foi o tanque M4 Sherman. Um motor deste tipo foi utilizado na pouco convencional motocicleta Megola.

Entropia

É um fato observado que, através do Universo, a energia tende a ser dissipada de tal modo que a energia total utilizável se torna cada vez mais desordenada e mais difícil de captar e utilizar.Quando conduzimos uma carro a energia armazenada na gasolina é convertida em calor por combustão e, depois, em energia mecânica, no motor. A energia mecânica, ordenada, assim produzida, dá origem ao movimento controlado e ordenado do carro. Mas parte dessa energia foi irrevogavelmente dissipada sob a forma de calor, na estrada, como resultado do atrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio da exaustão de gases e para vencer a resistência do vento. Perdemos essa energia para sempre.

Entropia A extensão do estado de desordem em que esta energia se encontra é medida por uma quantidade conhecida por entropia. Quanto maior é o estado de desorganização, tanto maior é a entropia, quanto menos extensa for a desorganização, menor é a entropia. De fato, como estabelece a termodinâmica, à temperatura de zero absoluto quando todas as vibrações atômicas e movimento param, a entropia é nula, porque não há movimento desordenado.

Outro exemplo: Suponha que temos água vermelha, com tinta, e água branca, sem tinta, em um tanque, com uma separação. Removendo delicadamente a separação, a água começa dividida, vermelha de um lado e branca do outro. Com o passar do tempo, a água vai gradativamente misturando-se, e no final temos água avermelhada, com a tinta uniformemente distribuída. Agora, mesmo que observemos a mistura por um longo período de tempo, ela não vai separar-se espontaneamente. A energia total do Universo tende a se tornar cada vez mais desordenada e, por conseqüência, podemos afirmar que a entropia do Universo cresce continuamente.

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