Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
TermodinâmicaCalor Movimento
Revolução Industrial (Século XVIII)
Revolução Industrial
• Nasceram as fábricas e as grandes cidades, os novos meios detransporte, as novas ideologias e doutrinas econômicas,políticas e sociais – um novo Mundo fruto da revoluçãoindustrial
• A termodinâmica, que estuda a transformação de energiatérmica em energia mecânica ou vice-versa, é a origem e oresultado dessa revolução que mudou radicalmente a históriada humanidade.
Revolução Industrial
James Joule (em 1868) – Experimento do equivalente mecânico da caloria.
Denis Papin (1647-1714) – Físico francês que construiu uma máquina a
vapor em 1690.
Thomas Newcomen (1663-1729) – Inglês que construiu sua máquina a
vapor em 1712.
James Watt (1732-1819) – Escocês que aperfeiçoou a máquina térmica de
Newcomen.
• James Joule (em 1868) – Experimento do equivalente mecânico dacaloria.
• 1cal = 4,186 J
“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
Máquina a vapor• Poucas invenções tiveram maior influência na história dos tempos
modernos que a da máquina a vapor. Ao contrário do que geralmente sepensa, não foi a causa inicial da Revolução Industrial, mas sim, em parte,efeito desta
De modo geral, nós separamos uma certa quantidade de material que
desejamos analisar. A esse material chamamos de sistema, que pode
estar isolado (ou não) da sua vizinhança. A interação com a vizinhança
pode ser de vários tipos: trocando calor, trocando trabalho, ou ambos
os casos simultaneamente
Vizinhança do sistema.
O que fica fora da fronteira
Sistema isolado
Sistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Sistema fechado
Sistema que não troca massa com a
vizinhança, mas permite passagem
de calor e trabalho por sua fronteira.
Calor e trabalho
Calor e trabalho
Calor Q é energia em trânsito de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles.
Trabalho τ é a energia que é transferida de um sistema para outro de tal modo que a diferença de temperatura dos sistemas não esteja envolvida.
• As grandezas Q(calor) e τ (trabalho) não são características do estadode equilíbrio do sistema, mas sim dos processos termodinâmicospelos quais o sistema passa quando vai de um estado de equilíbrio
para outro.
Transformação
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
Trabalho de um gás
• Transformação Isobárica
p = Pressão (N/m² ou Pascal)
∆V = Variação de volume (m³)
Quando:
• o volume aumenta no sistema, o trabalho é positivo, ou seja, é realizado sobre o meio em que se encontra (como por exemplo empurrando o êmbolo contra seu próprio peso);
• o volume diminui no sistema, o trabalho é negativo, ou seja, é necessário que o sistema receba um trabalho do meio externo;
• o volume não é alterado, não há realização de trabalho pelo sistema
Diagrama p x V
• É possível representar a tranformação isobárica de um gás através de um diagrama pressão por volume
• O trabalho realizado é numericamente igual à area sob a curva do gráfico (em azul na figura).
Exemplo:
3)Um gás ideal de volume 12m³ sofre uma transformação, permanecendo sob pressão constante igual a 250Pa. Qual é o volume do gás quando o trabalho realizado por ele for 2kJ?
4) Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo:
Qual o trabalho realizado por este gás?
O trabalho realizado pelo gás é igual a área sob a curva do gráfico, ou seja a área do trapézio azul.
Sendo a área do trapézio dado por:
Trabalho de um gás
Casos Particulares
• Transformação Isotérmica
Q = τ
• Transformação Isovolumétrica
τ = 0
• Logo, Q = ΔU
U = Energia interna (energia cinética das moléculas)
∆U = Variação da energia interna
Q = Calor
T = Trabalho
• Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação deenergia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever ocomportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformaçãotermodinâmica.
Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).
Primeira Lei da Termodinâmica
Calor Trabalho Energia Interna Q/ T/ΔU
Recebe Realiza Aumenta >0
Cede Recebe Diminui <0
não trocanão realiza e nem
recebenão varia =0
5) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?
6) O gráfico abaixo ilustra uma transformação 100 mols de gás ideal monoatômico recebem do meio exterior uma quantidade de calor 1800000 J. Dado R=8,31 J/mol.K.
Determine:
a) o trabalho realizado pelo gás;
b) a variação da energia interna do gás;
c) a temperatura do gás no estado A.
a) O trabalho realizado pelo gás é dado pela área do trapézio sob a curva do gráfico, logo:
b) Pela 1ª lei da termodinâmica têm-se que:
c) Pela equação de Clayperon, temos que:
n = 100 mols
R= 8,31 J/mol.K
E pela leitura do gráfico:
p = 300000 N/m²
V = 1m³
∆U = Q - T
Gás Expansão nulaT = 0
Δ U = Q = (mc)gás ΔT
Como (mc)gás = ctc
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.
A energia interna de um gás é função apenas
da temperatura absoluta T.
Primeira Lei
1a Lei da
Termodinâmica
A energia total do Universo,
com ou sem transformações,
permanece constante.
2a Lei da
Termodinâmica
A disponibilidade de energia para
realização de trabalho diminui
após cada transformação -
Irreversibilidade
2a Lei da Termodinâmica
W = Q1 – Q2
2a Lei Termodinâmica Formulação de Kelvin-Planck
É impossível construir uma
máquina térmica com
eficiência 100%.
2a Lei da Termodinâmica
2
1
TW = = 1 - < 1
Q1 T
2a Lei da Termodinâmica
Segunda Lei
Formulação de Clausius
É impossível existir transferência
espontânea de calor de uma fonte
fria para outra quente.
Formulação de
Clausius
Formulação Kelvin-
Planck
- Ambas são afirmações negativas.
- Não podem ser demonstradas.
- Baseiam-se em evidências experimentais.
2a Lei da Termodinâmica
Máquinas Térmicas
• As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor emtrabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturasdiferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fontefria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.
Máquinas Térmicas
• As máquinas térmicas de resfriamento: Neste caso, o fluxo de caloracontece da temperatura menor para o a maior.
• A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas nãotransformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de umamáquina térmica é sempre inferior a 100%.
Rendimento das máquinas térmicas
• Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida:
• n =rendimento;
• T= trabalho convertido através da energia térmica fornecida;
• Q1 = quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento;
• Q2=quantidade de calor não transformada em trabalho.
Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%.
Rendimento de um Refrigerador
Q1 = T + Q2
Para um refrigerador, define-se a eficiência e pela relação:
e = Q2 / W
ou, usando a expressão acima:
e = Q2 / [ Q1 – Q2 ]
• Exemplo:
• Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?
• Um exemplo comum de aplicação das leis da Termodinâmica é o motor de quatro tempos. Neste tipo de sistema, a energia é fornecida em forma de calor, pela queima do combustível.
• Trata-se de um sistema aberto. Isto porque troca massa com o meio externo, ao longo de um ciclo completo. Mas se tratarmos isoladamente cada um dos quatro processos que ocorrem basicamente nele,podemos considerá-los como sistemas fechados ou isolados, em cada caso especial.
A construção de uma máquina ideal Processo reversível.
Um processo é reversível quando pode partir do estado final e alcançar o estado
inicial usando os mesmos micro-estados que utilizou para alcançar o estado final.
Processo reversível:desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.
2a Lei da Termodinâmica - Entropia
Causas que tornam um processo irreversível.
AtritoExpansão não resistida.
Troca de calor com diferença finita de temperatura.
Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, etc.
Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.
2a Lei da Termodinâmica - Entropia
Quando um corpo recebe calor a
sua entropia aumenta.
∆S = QT 0
Aumenta a EC e/ou a
agitação molecular
Aumenta a “desordem”
A entropia é a medida da desordem
Entropia e a desordem
Entropia
QS = > 0
T