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Termodinâmica é a ciência que trata das trocas de energia entre um sistema e o meio externo, ou seja, as trocas de calor e trabalho.
Energia Interna de um GásEnergia Interna de um Gás Só depende da temperatura absoluta (Kelvin) do gás.
•U↑=>T↑ =>U+
•U↓=>T↓ =>U-
•Uconst. => T const. =>ΔU = 0
nRTU2
3
TnRU 2
3
Como p.V = n.R.T podemos ter
VpU .2
3
W=F.d {p=F/A→F=p.A
W=p.A.d{V=A.h→A=V/h
W=p.V.h {d=h h
V↑→ W+(real. pelo gás)
V↓→W-(real. sobre o gás)
Vh
Cálculo do Trabalho(W)Cálculo do Trabalho(W)
W=p.(Vf – Vi)
Unidades no SIUnidades no SI
p → N/m2 = Pa
V → m3
W → J (joule)*Nota
1 atm = 1,(013) x 105 Pa
1.000 L = 1 m3 ou 1 L = 10-3 m3
Trabalho pelo Gráfico Trabalho pelo Gráfico p
VV0 V
W W=AN
Exemplo:Exemplo: Num processo a pressão constante de 1,0.105 Pa, um gás aumenta o seu volume de 9.10-6 m3 para 14.10-6 m3. O trabalho realizado pelo gás, em joules, é de:
a)0,5;
b) 0,7;
c) 0,9;
d) 1,4;
e) 2,1.
W = p.V
W = p.(Vf – Vi)
W = 1x105(14x10-6 – 9x10-6)
W = 105 x 5 x 10-6
W = 5 x 10-1
W = 0,5 J
11aa Lei da Lei da TermodinâmicaTermodinâmica
ΔU = U2 – U1
Variação da Energia Interna
W > 0 → energia mec. que sai do sistema
W < 0 → energia mec que entra no sistema
Q > 0 → calor que entra no sistema
Q < 0 → calor que sai do sistema
1a Lei
ΔU = Q - W
Exemplo: Exemplo: Uma certa amostra gasosa recebe 500 cal de calor trocado com o meio externo e realiza um trabalho igual a 200 cal. A variação de sua energia interna será igual a:a) 300 cal; c) 2,5 cal;b) 700 cal; d) 0,4 cal.
WQU 200500 U
calU 300
W-→ Sistema recebe energia
W+→ Sistema gasta energia***Note que o sinal do trabalho recebido é o contrário do calor recebido.
Q+ (recebido)
Q-(cedido)
W-(compressão)
Gás
W+ (expansão)
Transformações GasosasTransformações Gasosas
p1
V1
T1
U1
p2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2Transformação
Variáveis de estado
Variáveis de estado
Q+ (recebido) Gás
W+ (expansão)
TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICASTRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS
T const. => Uconst. =>U =0
U = Q - W
Q = W Q-(cedido)
W-(compressão) OU
As transformações isotérmicas devem ser lentas, para que o gás troque calor na mesma medida que troca trabalho.
Recebe Calor Perde Calor
Gás
W+ (expansão)
TRANSFORMAÇÕES ADIABÁTICASTRANSFORMAÇÕES ADIABÁTICAS
Q = 0 => U = Q - W
U = -W
W-(compressão) OU
Ocorrem sem que haja trocas de calor entre o sistema e o meio externo. Isto geralmente é obtido num processo rápido.
T>
T<
A
B
AB→Exp. Adiabática=>W+=> U= -W => U- => T↓
BA→Comp. Adiabática=>W-=> U= -W => U+ => T↑
***Este princípio é fundamental em refrigeração!!!
Uma porção de gás ideal está contida num cilindro com pistão móvel, conforme representa a figura abaixo.Supondo-se que o deslocamento do pistão da posição 1 para a posição 2 representa uma transformação adiabática e que a variação de volume durante o deslocamento do pistão é de 0,50m3, sob pressão média de 100N/m2, pode-se concluir que:
a) o gás esfria e sua energia interna diminui de 50J.b) o gás esfria e sua energia interna diminui de 100J.c) o gás aquece e sua energia interna aumenta de 50J.d) o gás aquece, mas a quantidade de energia interna não se altera.e) a temperatura do gás não varia.
Q+ (recebido)
Gás
TRANSFORMAÇÕES ISOCÓRICASTRANSFORMAÇÕES ISOCÓRICAS
V const. => W = 0
U = Q - W
U = Q Q-(cedido)
OU
O gráfico abaixo representa a variação de energia interna de 1 mol de determinado gás, a volume constante, em função da sua temperatura. A variação de energia interna, a quantidade de calor absorvida e o trabalho realizado pelo gás são, respectivamente:
a) 3,0 kcal, 2,0 kcal, nulo b) 2,0 kcal, 2,0 kcal, 4,18 J c) 2,0 kcal, 2,0 kcal, nulo d) 2,0 kcal, 3,0 kcal, 4,18 J
TRANSFORMAÇÕES TRANSFORMAÇÕES CÍCLICASCÍCLICAS
p
VV0 V
W W=ACICLO
Np2
p1
U=Q - W
Q = W+-
A B
CD
p
VV0 V
W+
p2
p
VV0 V
W-
p1
Veja uma demonstração breve, visto que nos processos isométricos (BC E DA) não há trabalho.
A B
CD
Uma amostra de gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama pressão x volume, ilustrado abaixo. Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apontando a opção CORRETA:
a) A transformação AB é isobárica e a transformação BC, isométrica.b) O trabalho feito pelo gás no ciclo ABCA é positivo.c) Na etapa AB, o gás sofreu compressão e, na etapa BC, sofreu expansão.d) O trabalho realizado sobre o gás na etapa CA foi de 8 J.e) A transformação CA é isotérmica.
U = Q - WQ =0 ADIABÁTICA (U = -W)
W =0 ISOCÓRICA (U = Q)
U =0 ISOTÉRMICA ( Q = W)
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICAPRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Um cilindro com pistão, de volume igual a 2,0 litros, contém um gás ideal. O gás é comprimido adiabaticamente sob pressão média de 1000N/m2 até que o volume atinja o valor de 0,20 litros. A variação da energia interna do gás, em J, durante a compressão éa)1,8 b) 2,0 c) 200 d) 1800e) 2000
Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasTransformam calor em trabalho.
Física
Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas
Q → W
Q1
Fonte Quente (T1)
Q2 Fonte Fria (T2 )
W (En. Útil)
MT
2ª Lei da Termodinâmica:
É impossível construir uma máquina térmica que, trabalhando entre duas fontes térmicas, transforme integralmente calor em trabalho.
Enunciado de Claussius da 2ª Lei O calor não flui espontaneamen-te da fonte fria para a fonte quente.
Física
1Q
W
12aLei da Termodinamica
***η → rendimento
1
21Q
Q
1
21
Q
Física
1
21T
TMAX
A Máquina Ideal de CarnotA Máquina Ideal de Carnot
1MAX
Duas isotermas (AB e CD)
Duas adiabáticas (BC e DA)
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"
T1
T2
T1 >T2
Q1
T2
T1
Q2
Um folheto explicativo sobre uma máquina térmica afirma que ela, ao receber 1000 cal de uma fonte quente, realiza 4186 J de trabalho. Sabendo que 1 cal eqüivale a 4,186 J e com base nos dados fornecidos, pode-se afirmar que esta máquina:a) viola a 1a. Lei da termodinâmica.b) possui um rendimento nulo.c) viola a 2a. Lei da termodinâmica.d) possui um rendimento de 10%.funciona de acordo com o ciclo de Carnot.
Física
Máquinas FrigoríficasMáquinas Frigoríficas
W → Q
Q1
Fonte Quente (T1)
Q2 Fonte Fria (T2 )
W (En. motriz)
MF
Física
W
Q2
21
2
Q
EficiênciaEficiência → → εε
***A eficiência não é expressa em percentual.
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 RefrigeradorCiclo Refrigerador
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