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TERMODINÂMICA Colégio JR Alunos: Carlos Henrique, Guilherme, Isaque, Lucilla, Micaely Série: 2º ano

Principios da Termodinamica

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TERMODINÂMICAColégio JR

Alunos: Carlos Henrique, Guilherme, Isaque, Lucilla, Micaely

Série: 2º ano

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O QUE É TERMODINÂMICA?

• A Termodinâmica (do grego therme = calor e dynamis = movimento) é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança de temperatura, volume e pressão, empregados em sistemas físicos em escala macroscópica. • De uma forma mais simples, a termodinâmica procura

explicar os mecanismos de transferência de energia térmica a fim de que estes realizem algum tipo de trabalho.

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TRABALHO EM UMA TRANSFORMAÇÃO GASOSA

Em mecânica, define-se o trabalho de uma força como sendo: 

τ=F⋅d⋅cosθ

Onde F representa a intensidade da força, d o deslocamento do objeto durante a aplicaçãodessa força e θ o ângulo entre as direções da força e do deslocamento. De forma mais geral, quando a força aponta a favor do deslocamento, ou seja, “para frente”, o trabalho pode ser calculado por: τ=F⋅dQuando a força ap onta contra o deslocamento, ou seja, “para trás”, ele é calculado por :τ=−F⋅d

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TRABALHO EM UMA TRANSFORMAÇÃO GASOSA

• Você deve estar se perguntando: “o que um conceito de mecânica que envolve forças e deslocamentos está fazendo em um texto de termodinâmica?” Pare para pensar: quando aquecemos um objeto, ele se dilata, empurrando o meio externo, no caso o ar. Logo, existe a aplicação de uma força e um deslocamento de sua periferia. Assim, existe um trabalho realizado pela superfície do objeto.

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICA

• Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho T e aumentar a energia interna do sistema ΔU.

• Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Calor Trabalho Energia Interna

Q/T/ΔU

Recebe Realiza Aumenta >0

Cede Recebe Diminui <0

Não troca Não realiza e nem recebe

Não varia =0

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICA

• Desta tabela, podemos concluir que existem duas maneiras de variarmos a energia interna de um sistema: dando-lhe ou retirando-lhe calor ou fazendo com ele realize ou sofra trabalho. Isso pode ser expresso pela seguinte equação:

• ΔU=Q−τ

• Existem algumas transformações termodinâmicas particulares que nos levam a resultados interessantes quando analisados à luz da Primeira Lei da Termodinâmica. Vejamos a seguir:

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICACASOS PARTICULARES

• Transformação Isobárica ou Isocórica• Quando o volume permanece constante e não há realização de trabalho,

temos:

• T = 0

• ΔU = Q

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICACASOS PARTICULARES

• Transformação Isotérmica• É uma transformação em que a temperatura permanece constante, a energia

interna não varia.

• T = Q

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICACASOS PARTICULARES

• Transformação Adiabática• Nela, não há trocas de calor. Normalmente, acontece quando há uma expansão

ou contração muito rápida de um gás (por exemplo, ao usarmos um frasco de desodorante aerossol). Assim:

• Q = 0

• ΔU = -T

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICACASOS PARTICULARES

• Transformação Cíclica• Um gás sofre uma transformação Cíclica ou realiza um ciclo quando a pressão,

volume e a temperatura retornam a seus valores iniciais, após uma sequencia de transformações. Portanto, o estado final coincide com o estado inicial.

• Na transformação cíclica, há equivalência entre o trabalho realizado e a quantidade de calor trocado com o ambiente.

• Ao realizar um ciclo em sentido horário(no diagrama de Clayperon), o gás é convertido em trabalho.

• Ao realizar trabalho em sentido anti-horário (no diagrama de clayperon), o gás converte trabalho em calor.

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1º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICACASOS PARTICULARES

• Transformação Cíclica• A partir da relação entre a 1º principio da termodinâmica e a transformação

cíclica temos:

• ΔU = 0

• T = Q

• Área = T

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2º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICA

• Enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, essa lei faz restrições para as transformações realizadas pelas máquinas térmicas como, por exemplo, o motor de uma geladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que:

Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria.

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2º PRINCIPIO DA TERMODINÂMICA

• Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas.

• Enunciado de Clausius:

• O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.

• Enunciado de Kelvin-Planck:

• É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

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MÁQUINAS TÉRMICAS

• As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época.

• Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho).

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MÁQUINAS TÉRMICAS

• A fonte térmica fornece uma quantidade de calor (Q1) que no dispositivo transforma-se em trabalho (T) mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho (Q2).

• Assim temos:

• T = Q1-Q2

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MÁQUINAS TÉRMICAS

• Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim:

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MÁQUINA TÉRMICA

• O rendimento de uma máquina térmica é dado pela relação entre trabalho (T) obtido por ela e a quantidade de calor (Q1) retirada da fonte quente, Assim temos:

• r = T / Q1

• Também podemos expressar o rendimento como:

• r = 1 – Q2/Q1

• Para sabermos o rendimento em porcentagem multiplicamos o resultado por 100.

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RENDIMENTO MÁXIMO CICLO DE CARNOT

• Denominamos a maquina de Carnot a maquina térmica teórica que realiza o ciclo ideal proposto por Sadi Carnot em 1824. Este ciclo seria composto de quatro processos:

• Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento.

• Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas.

• Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento

• Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas.

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RENDIMENTO MÁXIMO CICLO DE CARNOT

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RENDIMENTO MÁXIMOCICLO DE CARNOT

• Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:

• Q2/Q1 = T2/T1

• Outra forma de representar o rendimento máximo é:

• Rmax = 1 – T2/T1

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BIBLIOGRAFIA

• http://goo.gl/8MfXOd

• http://goo.gl/Wckkve

• http://goo.gl/HFxmM4

• http://goo.gl/Os0Fb8

• http://goo.gl/KzgO9q

• Livro Física Básica Nicolau-Toledo-Ronaldo