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FÍSICA
Professor: Alexandre Vicentini
Universidade Estadual do Centro-Oeste (Unicentro)
Curso Pré-Vestibular
17o Dia
(05/08/2019)
Universidade Estadual do Centro-Oeste (Unicentro)
Curso Pré-Vestibular
Termodinâmica
Termodinâmica
A Termodinâmica estuda as transformações e as relações existentes
entre dois tipos de energia: energia mecânica e energia térmica.
Figura 1
Energia interna
Energia Interna
A energia interna é a soma total de todas as energias (agitação,
ligação, rotacional, etc...) no interior de uma substância.
Parte dessa energia (cinética de agitação e potencial de agregação) é
denominada energia térmica.
Energia Interna
Aumento da energia
interna ∆U > 0
Diminuição da energia
interna ∆U < 0
Figura 2 Figura 3
Energia Interna
No caso o gás perfeito, a energia interna se resume na energia de
translação de suas partículas.
Seu cálculo é feito pela expressão definida pela Lei de Joule.
Essa lei é válida aproximadamente para os gases reais rarefeitos
monoatômicos.
U =3
2nRT
U = energia interna [J]
n = número de mols
R = constante universal dos gase [atm.L/mol.K]
T = temperatura absoluta [K]
Energia Interna
A energia interna de um gás é a soma das energias cinéticas de suas
moléculas e é função apenas do número de mols e da temperatura.
U =3
2nRT
U = energia interna [J] ou [cal]
n = número de mols
U =5
2nRT
U = 3nRT
𝑔á𝑠 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑎𝑡ô𝑚𝑖𝑐𝑜
𝑔á𝑠 𝑑𝑖𝑎𝑡ô𝑚𝑖𝑐𝑜
𝑔á𝑠 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑎𝑡ô𝑚𝑖𝑐𝑜
∆𝐓 = 𝟎 → ∆𝐔 = 𝟎
A variação da energia interna (∆𝐔)
de uma gás, em uma transformação,
depende apenas do estado inicial e
final desse gás.
Trabalho
Gás se expandindo τ > 0
Gás realiza trabalho
Gás sendo comprimido τ < 0
Gás recebe trabalho
Figura 4 Figura 5
Trabalho de Um Gás
Em um gráfico P x V.
Figura 6
Lei Zero da Termodinâmica
Lei Zero da Termodinâmica
A Lei Zero da Termodinâmica está relacionada com o conceito de
equilíbrio térmico.
Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um
terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
Figura 7
1a Lei da Termodinâmica
1a Lei da Termodinâmica
Essa Lei está relacionada com o Princípio da Conservação da Energia.
∆U = Q − 𝜏𝑔á𝑠
∆U = variação da energia interna [J]
Q = quantidade de calor [J]
𝜏𝑔á𝑠= trabalho [J]
Transformações Gasosas
Estado de um Gás
O estado de qualquer gás é caracterizado pelos valores de três
grandezas que são o volume (V), a pressão (P) e a temperatura (T).
São muito comuns as transformações em que ocorrem duas das
variáveis de estado, mantendo-se uma constante.
CNTp
Nas condições normais de temperatura e pressão (CNTp)
[P = 1,0 atm e T = 0 °C]
Na CNTP 1 mol de qualquer gás ocupa um volume de 22,4 L
Figura 8
1 mol = 6,02 . 1023
n =m
M
Número de Avogadro = NA = 6,02 . 1023 moléculas
n = número de mols
m = massa do gás [kg] ou [g]
M = massa molar [kg/mol] ou [g/mol]
Transformação Isotérmica
Transformação Isotérmica
Transformação ocorre à temperatura constante T = 𝑐𝑡𝑒.
É explicada pela Lei de Boyle.
Quando determinada massa de um gás perfeito sofre uma transformação
isotérmica, sua pressão varia de maneira inversamente proporcional ao
volume por ele ocupado.
P1. V1 = P2. V2
P1= pressão inicial [Pa] ou [atm]
V1= volume inicial [L] ou [m3]
P2= pressão inicial [Pa] ou [atm]
V2= volume final [L] ou [m3]
k = constante
P . V = k
Transformação Isotérmica
Num diagrama pressão P x V a representação gráfica da Lei de Boyle é
um ramo de hipérbole.
A(s) curva(s) recebe o nome de isoterma(s).
Figura 9
Figura 10
∆𝐔 = 𝟎
𝐐 = 𝝉
Transformação Isobárica
Transformações Isobárica
Ocorre à volume constante P = cte
A lei que rege a transformação isobárica recebe o nome de Lei de
Charles e Gay-Lussac.
Quando determinada massa de gás perfeito passa por uma transformação
isobárica, seu volume deve variar, mantendo-se diretamente proporcional
à temperatura absoluta desse gás.
V
T= k
V1T1
=V2T2
V1 = volume inicial [L] ou [m3]
T1 = temperatura inicial [K]
V2= volume final [L] ou [m3]
T2= temperatura final [K]
𝑛 = número de mols Q = quantidade de calor [J]
CP = calor específico molar à volume constante
[atm.L/mol.K]
Q = n . cp. ∆T
Transformações Isobárica
Figura 11
Figura 12
τ = P. ∆V
τ = trabalho [J] ou [cal]
P = pressão [Pa] ou [atm]
∆V = variação de volume [L] ou [cm3]
∆𝐔 = 𝐐 − 𝝉
Transformação
Isovolumétrica
Transformação isocórica, isométrica ou
isovolumétrica
Ocorre à volume constante V = cte
A lei que rege a transformação isovolumétrica recebe o nome de Lei de
Charles.
Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação
isométrica, sua pressão mantém-se diretamente proporcional à sua
temperatura absoluta.
P
T= k
P1T1
=P2T2
P1 = pressão inicial [Pa] ou [atm]
T1 = temperatura inicial [K]
P2= pressão final [Pa] ou [atm]
T2= temperatura final [K]
𝑛 = número de mols Q = quantidade de calor [J]
CV = calor específico molar à volume constante
[atm.L/mol.K]
Q = n . cV. ∆T
Transformação isocórica, isométrica ou
isovolumétrica
Num diagrama P x T.
Figura 13
Figura 14
𝝉 = 0 → ∆𝐔 = 𝐐
Transformação Adiabática
Transformação adiabática
Não há troca de calor com o ambiente. Durante o processo a
pressão (P), o volume (V), a temperatura (T), e a energia interna (∆U)
do gás variam.
Figura 15
P1.V1γ= P2.V2
γ
γ = CP/CV
∆𝐔 = −𝝉
γ = coeficiente de Poisson
CP = calor específico molar à volume constante [atm.L/mol.K]
CV = calor específico molar à volume constante [atm.L/mol.K
Figura 16
Lei Geral dos Gases
Lei Geral dos Gases
Utilizar a Lei Geral dos Gases quando P, V e T variarem.
P1V1T1
=P2V2T2
A Equação de Clapeyron
É uma síntese das leis de Boyle, Charles e Gay-Lussac.
PV = nRT n =m
M
P = pressão [Pa] ou [atm]
V = volume [L] ou [cm3]
n = número de mols
M = massa molar [kg/mol] ou [g/mol]
R = constante universal dos gases perfeitos
T = temperatura [K]
Mistura física de gases perfeitos
A mistura física de gases perfeitos é a reunião de dois ou mais gases
ideais, de forma a não ocorrerem reações químicas entre suas
partículas,
Figura 17
PmVmTm
=PAVATA
+PBVBTB
Pm = pressão da mistura [Pa] ou [atm]
Vm = volume da mistura [L] ou [cm3]
Tm = temperatura da mistura [K]
Transformação Cíclica
Transformação Cíclica
Uma transformação cíclica (ou fechada) ocorre quando o estado final
dessa transformação coincide com o estado inicial.
𝜏+ > 0 (sentindo horário)
𝜏− < 0 (sentindo anti-horário)
∆U = 0
Q = 𝜏
Figura 18
Exercícios
Máquinas Térmicas
Máquinas Térmicas
Dispositivos usados para converter energia térmica em energia
mecânica.
𝜏 = Qq − Qf ɳ = 1−Qf
𝜏 = trabalho [J] ou [cal]
Qq= quantidade de calor da fonte quente [J] ou [cal]
Qf = quantidade de calor da fonte fria [J] ou [cal]
ɳ = rendimento
0 ≤ ɳ < 𝟏 (100%)
Figura 19
2a Lei da Termodinâmica
2a Lei da Termodinâmica
O que o calor só pode passar de um sistema de menor temperatura
para outro de maior temperatura se um agente externo realizar um
trabalho sobre esse sistema, como nas máquinas frigorificas.
“O calor só pode passar espontaneamente de um corpo para outro de
temperatura mais baixa que o primeiro. É impossível de se converter
totalmente calor em outra forma de energia.”
Ciclo de Carnot
Postulados Carnot
1º Postulado: Nenhuma máquina operando entre duas temperaturas
fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot,
operando entre essas mesmas temperaturas.
2º Postulado: Ao operar entre duas temperaturas, a má- quina ideal de
Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluido operante.
O ciclo de Carnot
Na expansão isotérmica 1-2, o sistemarealiza trabalho utilizando o calor QQ (Tq)
retirado da fonte quente.
Na expansão adiabática 2-3, o sistema não
troca calor, realizando trabalho com
diminuição de energia interna e, portanto,de temperatura.
Na compressão isotérmica 3-4, o sistema
rejeita QF (Tf) de calor para a fonte fria,
utilizando o trabalho recebido.
Na compressão adiabática 4-1, o sistema
não troca calor. Recebe trabalho, que serve
para aumentar sua energia interna e,
portanto, sua temperatura.
ɳ = 1−Tf
Tq
Figura 20
Tq= temperatura da fonte quente [K]
Tf = temperatura da fonte fria [K]]0 ≤ ɳ < 𝟏 (100%)
Processos Reversíveis e
Irreversíveis
Processos Reversíveis e Irreversíveis
Processo reversível: denomina-se processo reversível aquele em que o
sistema passa por estágios (‘caminho’) de equilíbrio intermediário. O
processo pode ser revertido, passando pelos mesmos estágios de
equilíbrio, retornando às condições iniciais sem a interferência externa
Exemplos aproximados: Compressão lenta (processo quasi-estático) de um
gás através de um êmbolo de seringa.
Processo irrreversível: A transformação será irreversível se o processo não
puder satisfazer às condições citadas acima.
Exemplos aproximados: Expansão livre de um gás.
Entropia
Entropia
Entropia é o termo que usamos para descrever essa dispersão ou
degradação da energia.
A entropia pode ser medida como a quantidade de desordem de um
sistema.
∆S = variação de entropia [J/K]
Q = quantidade e de calor [J]
T = temperatura [K]
∆S =Q
T
Obrigado
Referências
Figura 1: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São
Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 2: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 3: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São
Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 4: http://minhasaulasdefisica.blogspot.com/2016/01/
Figura 5: https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_zero_da_termodin%C3%A2mica
Figura 6: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São
Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 7: https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_zero_da_termodin%C3%A2mica
Figura 8: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São Paulo: Saraiva, 2012.
Referências
Figura 9: http://blog.fisicaresolvida.com.br
Figura 10: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 11: http://blog.fisicaresolvida.com.br/2015/05/estudo-dos-gases-lei-de-boyle-lei-de.html
Figura 12: http://fisicaevestibular.com.br/novo/
Figura 13: http://blog.fisicaresolvida.com.br/2015/05/estudo-dos-gases-lei-de-boyle-lei-de.html
Figura 14: http://fisicaevestibular.com.br/novo/
Figura 15: https://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_adiab%C3%A1tico_(f%C3%ADsica)
Figura 16: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-transformacao-adiabatica.htm
Figura 17: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São Paulo: Saraiva, 2012.
Referências
Figura 18: BISCUOLA, G. J; DOCA, R. H.; VILLAS BÔAS, N. Tópicos de Física. 21 ed. v. 1. São
Paulo: Saraiva, 2012.
Figura 19: https://www.infoescola.com/fisica/maquina-termica/
Figura 20: http://polemicascmm.blogspot.com/2012/09/ciclo-de-carnot.html
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