Termodinâmica é a ciência
que trata
• do calor e do trabalho
• das características dos sistemas e
• das propriedades dos fluidos termodinâmicos
Termodinâmica
1. Sistema - porção definida do espaço.
Ex. uma solução, uma célula, um cilindro
de gás, um corpo...
Termodinâmica
2. Entorno - tudo que envolve o sistema.
Não tem limite. É o ambiente
Os sistemas podem variar de volume,
temperatura e energia.
Abertos/fechados.
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Interna...
Potencial – é a composição química
Cinética – é o conteúdo de calor
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Externa...
Potencial – é dependente da altura dosistema no Campo G.
Cinética – é dependente da velocidade dedeslocamento do sistema no espaço.
Termodinâmica
Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela
estar no alto (energia potencial
externa), como ser lançada (energia cinética
externa), que sua energia interna é a mesma
até o momento da explosão (a potencial, pelo
menos).
Termodinâmica
Ep + Ec
INT
Ec EXT
Distância
Alt
ura
Ep EXT
m
Termodinâmica
Se um macaco come uma banana, no
alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou
parado, ele só aproveita a energia interna da
banana.
Se ele come a banana com casca faz
alguma diferença?
Termodinâmica
Mais Energia
Menos Energia
Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
A Energia Interna de um sistema podeou não depender de Massa do sistema, pelomenos macroscopicamente. Comisso, classifica-se
Propriedades extensivas
Propriedade intensivas
Termodinâmica
Propriedade intensivas(independem da massa).
1. pressão2. temperatura3. voltagem4. viscosidade
Termodinâmica
Propriedade extensiva(dependem da massa)
1. volume2. quantidade de matéria3. densidade4. quantidade de energia
Termodinâmica
1ª Lei:Descreve a conservação da energia.
Energia não pode ser criada oudestruída, mas somente convertida de umaforma em outra.
Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
1ª Lei:Toda transformação de energia se
acompanha de energia térmica.
Qualquer forma de energia outrabalho, pode ser totalmente convertida emcalor.
Termodinâmica
1ª Lei:
A energia do Universo é constante.
O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
Lei da conservação da energia: a energia em um sistema
pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e
trabalho.
•A energia pode ser interconvertida de uma forma para
outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto
é, sistema mais meio externo, conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É
CONSTANTE
wqU
Sadi Carnot
1796 - 1832
James Joule
1818 - 1889
Rudolf Clausius
1822 - 1888Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Emile Claupeyron
1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores
que construiram a termodinâmica
Nasceu em
Salford - Inglaterra
James P. Joule(1818-1889)
Contribuição de James Joule.
1839 Experimentos:
trabalho mecânico, eletricidade e calor.
1840 Efeito Joule : Pot = RI2
1843 Equivalente mecânico do calor
( 1 cal = 4,18 J)
1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo
da temperatura de um gás em função da
expansão sem realização de trabalho
externo.
As contribuições de Joule e outros levaram
ao surgimento de uma nova disciplina:
a Termodinâmica
Lei da
Conservação
de
Energia
1a Lei
da
Termodinâmica
Para entender melhor a
1a Lei de Termodinâmica
é preciso compreender as características dos
sistemas termodinâmicos e os caminhos
“percorridos” pelo calor...
Certa massa delimitada por
uma fronteira.
Vizinhança do sistema.
O que fica fora da
fronteira
Sistema fechado
Sistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Sistema Aberto
Sistema que não troca massa com a
vizinhança, mas permite passagem
de calor e trabalho por sua fronteira.
Sistema Termodinâmico
Transformação
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2Transformação
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado
“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
Processos
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
Transformações
1a Lei da Termodinâmica
ΔU = U2 – U1
Variação Energia Interna
W > 0 → sistema realiza trabalho
W < 0 → sistema sofre trabalho
Q > 0 → sistema recebe calor
Q < 0 → sistema perde calor
1a Lei
Q = W + ΔU
Sistema Fechado
Q = W + ∆U
Gás
Expansão nula
W = 0
Δ U = Q
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.
Variação da Energia Interna
A energia interna de um gás é função apenas
da temperatura absoluta T.
O calor Q que passa pelas fronteiras
do sistema depende do processo.
∆V = V2 -V1
∆U = Q - W
Wdepende de
como a pressão
e volume mudam
no processo.
W = F.d
F = Pr.S
W = Pr.S.d
W = Pr.ΔV
.
O trabalho que atravessa a
fronteira
depende do processo?
P1V1 = nRT1
Estado 1
no de moles
Constante dos gases
R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K
Diagramas P x V
Gases ideais
1P1
V1
T1Como as variáveis
de estado se
relacionam?
Equação de estado
1ª Lei da Termodinâmica
W = 0
Q = m CV (T2-T1)
Calor específico
a volume constante
U = Q
∆V = 0
Transformação de 1 → 2
Volume invariável
Isovolumétrica
Processo isovolumétrico
Transformação a volume constante
Q = W + U
Q = + m CP (TB - TA)
calor específico
a pressão constante
W = Po [VB-VA]
1ª Lei da Termodinâmica
Q = W + U
Transformação a pressão constante
Processo isobárico
Êmbolo movimentado
lentamente
∆U = 0 → ∆T=0
Transformação à temperatura constante
Q = W
Q = W + 0
Processo Isotérmico
Movimento rápido do êmbolo.
Q = 0
W = - ∆U
Primeira Lei da Termodinâmica
Q = W + ∆U
Q = 0 → ∆U= - W
Compressão adiabática
Trabalho transforma-se em calor
Q = 0
O processo ocorre tão
rapidamente que o
sistema não troca calor
com o exterior.
W
Área sob o grafico
Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor
3.- Wciclo = W = área 12341
Wciclo > 0 → Qciclo 0
O sentido do ciclo no diagrama P V : horário.
O sistema recebe Q e entrega W
1a Lei da Termodinâmica
Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo
Qciclo = Wciclo
1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2.- Qciclo = Q
Processos cíclicos
“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
Em cada ciclo
W = Q1-Q2
Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1
ε = [1 – Q2/Q1]
∆U = 0
Eficiência térmica: 1ªLei
Refrigerador
12: compressão adiabática em um compressor
23: processo de rejeição de calor a pressão constante
34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão)
41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador
Ciclo Refrigerador
Qual o limite da eficiência
de uma máquina térmica ?
ε = [1 – Q2/Q1]
Q1 → 0
ε → 1
É possível construir esta
máquina?
ε → 100%
A eficiência da Máquina de Carnot
No ciclo:
∆U=0 → W = Q1 - Q2
ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
ε = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
ε = 1 - T2/T1
Princípio de Carnot"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode
ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"
BC e DA = adiabáticas
Ciclo reversível
A máquina ideal de Carnot