Prof. Ricardo Alencar
TERMODINMICA
Perdas de calor
Quando uma energia se transforma em outra, sempre h perda de calor
Termodinmica a cincia que trata
do calor e do trabalho das caractersticas dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinmicos
Equivalente Caloria-Trabalho
A descida do bloco faz girar a roldana com palhetas que transmitem energia trmica (cintica das molculas) para a gua.
Fig. 5.7
Sadi Carnot1796 - 1832
James Joule1818 - 1889
Rudolf Clausius1822 - 1888
Wiliam Thomsonou Lord Kelvin
1824 - 1907
Emile Claupeyron1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinmica
Para entender melhor a
1a Lei de Termodinmica
preciso compreender as caractersticas dos sistemas termodinmicos e os caminhos
percorridos pelo calor...
Certa massa delimitada por uma fronteira.
Vizinhana do sistema.
O que fica fora da fronteira
Sistema isolado
Sistema que no troca energia nem massa com a sua vizinhana.
Sistema fechado
Sistema que no troca massa com a vizinhana, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.
Sistema Termodinmico
Transformao
P1V1T1U1
P2V2T2U2
Estado 1 Estado 2Transformao
Variveis de estado
Variveis de estado
Caminho descrito pelo sistema na transformao .
Processos
P1V1T1U1
P2V2T2U2
Durante a transformaoProcessos
nula a troca de calor Q com a vizinhana.AdiabticoVolume V constanteIsovolumtrico
Presso P invarivelIsobricotemperatura T invarivelIsotrmico
Transformaes1a Lei da Termodinmica
U = U2 U1Variao Energia Interna
W > 0 energia que sai do sistema
W < 0 energia que entra no sistema
Q > 0 calor que entra no sistema
Q < 0 calor que sai do sistema
1a Lei
Q = W + U
Sistema Fechado
PRIMEIRO PRINCPIO DA TERMODINMICA
Exemplo (PUCRS) Durante a expanso de um gs, este
realiza um trabalho de 200 J, mediante o recebimento de uma quantidade de calor equivalente a 900 J. Nessa expanso a variao da energia interna do gs
(A) 900 J. (B) 700 J. (C) 500 J. (D) 300 J. (E) 200 J.
U = Q - WGs
Expanso nulaW = 0
U = Q = (mc)gs T
Como (mc)gs = ctcU depende apenas
de T.
T = 0 U = 0T > 0 U > 0T < 0 U < 0
Como U uma varivel de
estado, U no depende do processo.
Variao da Energia Interna
A energia interna de um gs funo 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 presso e volume mudam
no processo.
W = F.d
F = Pr.S
W = Pr.S.d
W = Pr.V
.
O trabalho que atravessa a fronteira
depende do processo?
Grfico Trabalho x Volume
W > 0 se sentido HORRIO
W < 0 se sentido ANTI-HORRIO
Exemplo(PUCRS) O grfico p x v representa as transformaes experimentadas por um gs ideal. O trabalho mecnico realizado pelo gs durante a expanso de A at C, em Joules:(A) 10 (B) 20 (C) 30 (D) 50 (E) 80
P1V1 = nRT1
Estado 1
no de moles
Constante dos gases
R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K
Diagramas P x VGases ideais
1P1
V1T1Como as variveis
de estado se relacionam?
Equao de estado
1 Lei da Termodinmica
W = 0
Q = n CV (T2-T1)
Calor especfico molar a volume constante
U = Q = n CV (T2-T1)
V = 0
Transformao de 1 2
Volume invarivelIsovolumtrica
Processo isovolumtrico - Transformao a volume constante
U = Q - W
Exemplo(UFRGS) Um gs aquecido dentro de um recipiente de volume constante. Nessas condies (A) aumenta a energia cintica mdia de translao das molculas do gs. (B) realizado um trabalho pelo gs. (C) a presso do gs diminui. (D) a presso do gs permanece constante (E) ocorre uma transformao adiabtica.
Q = + n CP (TB - TA)
calor especfico molar a presso constante
W = Po [VB-VA]
1 Lei da Termodinmica U = Q - W
U = n Cv (TB-TA)
Calor especfico a volume constante
Transformao a presso constante
Processo isobrico
mbolo movimentado lentamente
U = 0 T=0
Transformao temperatura constante
Q = W = n R T [ln(V2/V1)]
0 = Q W
Q = W
Processo Isotrmico
Movimento rpido do mbolo.
Q = 0
W = - U = - nCvT
Primeira Lei da TermodinmicaU = Q - W
Q = 0 U= - W
Compresso adiabtica
Trabalho transforma-se em calor
Q = 0
O processo ocorre to rapidamente que o
sistema no troca calor com o exterior.
Wrea sob o grafico
Processo adiabticoTransformao sem troca de calor
Exemplo (UFRGS) Qual a variao de energia
interna de um gs ideal sobre o qual realizado um trabalho de 80J, durante uma compresso adiabtica? (A) 80J (B) 40J (C) zero (D) -40J (E) -80J
Exemplo(UFRGS) O desenho mostra um cilindro de metal dotado de um mbolo mvel em cujo interior encontra um gs ideal em equilbrio termodinmico Em dado instante uma fora de mdulo F age sobre o mbolo que comprime o gs rapidamente. Durante a compresso I. ocorre um aumento de energia interna do gs. II. o trabalho realizado pela fora de mdulo F produz uma elevao da temperatura do gs . III. o trabalho realizado pela fora de mdulo F igual a quantidade de calor que se transmite para o meio externo. Quais esto corretas? (A) Apenas I. (B) Apenas II. (C) Apenas I e II. (D) Apenas II e III. (E) I, II e III.
3.- Wciclo = W = rea 12341
Wciclo > 0 Qciclo > 0
O sentido do ciclo no diagrama PV : horrio. O sistema recebe Q e entrega W
1a Lei da TermodinmicaUciclo = Qciclo - Wciclo
Qciclo = Wciclo
1.- Uciclo = U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2.- Qciclo = Q
Processos cclicos
Exemplo (UFRGS) O grfico da presso p em funo do volume
V de um gs mostra duas transformaes termodinmicas, I e II, a partir do estado inicial i. Os estados finais das duas transformaes apresentam o mesmo volume (Vf), mas presses diferentes.
A partir do grfico, possvel afirmar que:
(A) o trabalho realizado pelo gs na transformao I maior do que o realizado na transformao II. (B) na transformao II no h trabalho realizado. (C) na transformao I no h variao de energia interna do gs. (D) a transformao II isobrica. (E) a transformao I adiabtica.
Exemplo (UFRGS) Assinale a alternativa que preenche corretamente as
lacunas no texto abaixo. A f uno do compressor de uma geladeira a de aumentar a presso
sobre o gs freon contido na tubulao. Devido rapidez com que ocorre a compresso, esta pode ser considerada uma transformao __________. A temperatura e a presso do gs se elevam. Como no h trocas de calor, o trabalho realizado pelo compressor igual a variao da energia __________ do gs. (A) adiabtica - interna (B) isotrmica - cintica (C) isotrmica - interna (D) adiabtica - potencial (E) isobrica interna
Trabalham em ciclos.
Mquinas Trmicas
Mquinas trmicas so dispositivos que convertem calor em trabalho e vice-versa: mquinas a vapor, motores a exploso, refrigerados, etc.
Fonte quenteFonte fria
Trabalho
Ciclo
De onde a mquina retira
calor QHot.
Para onde a mquina rejeita
calor QCold
A mquina de Denis Papin1647 - 1712
Em cada ciclo
W = Q1-Q2
Eficincia = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1
= [1 Q2/Q1]
U = 0
Eficincia trmica: 1Lei
RefrigeradorBomba de calor
1-2: compresso adiabtica em um compressor 2-3: processo de rejeio de calor a presso constante 3-4: estrangulamento em uma vlvula de expanso (com a respectiva queda de presso) 4-1: absoro de calor a presso constante, no evaporador
Ciclo Refrigerador
1a Lei da Termodinmica
A energia total do Universo, com ou sem transformaes,
permanece constante.
2a Lei da Termodinmica
A disponibilidade de energia para realizao de trabalho diminui
aps cada transformao
2a Lei da Termodinmica
EntropiaEnunciado de Clausius "O calor s pode passar, espontaneamente, de um corpo de maior para outro de menor temperatura."
Enunciado de Kelvin " impossvel construir uma mquina trmica que, operando em ciclo, extraia calor de uma fonte e o transforme integralmente em trabalho."
Refrigerador ou Bomba de Calor
Segunda Lei Formulao de Clausius
impossvel existir transferncia espontnea de calor de uma fonte fria
para outra quente. impossvel construir um dispositivo que,
operando em ciclo termodinmico, no produza outros efeitos alm da passagem de calor de um
corpo frio para outro quente.
COPRefrigerador = Q2/W
COP Bomba Calor = Q1/W
Mquinas Trmicas
W = W2 W1
2a LeiTermodinmica Formulao de Kelvin-Planck
impossvel construir uma mquina trmica com
eficincia 100%.
= W/Q1 = [1 - T2/T1] < 1
Ou seja uma mquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em
trabalho.
Formulao de Clausius
impossvel existir transferncia espontnea de calor de uma fonte fria para outra quente.
Formulao Kelvin-Planck
impossvel construir uma mquina trmica com eficincia 100%.
Segunda Lei Termodinmica
Ambas so afirmaes negativas. No podem ser demonstradas.
Baseiam-se em evidncias experimentais.
A 2a Lei enuncia a impossibilidade de construo de moto perptuo de 2a espcie.
Moto Perptuo1a Espcie: criaria trabalho do nada. Viola a 1a Lei.2a Espcie: viola a 2a Lei3a Espcie: inexistencia de atrito produziria movimento eterno sem realizao de trabalho
Qual o limite da eficincia de uma mquina trmica ?
= [1 Q2/Q1]
Q1 0
1
possvel construir esta mquina?
100%
Mquinas Trmicas
100% de rendimento ?
Impossvel!
Qual o mximo rendimento de uma Mquina Trmica?
A construo de uma mquina ideal
Definio de um processo ideal.
Processo reversvel.
Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem deixar vestgios no sistema e no
meio circundante.
Processo reversvel: desvio do equilbrio infinitesimal e ocorre numa
velocidade infinitesimal.
Causas que tornam um processo irreversvel.
Atrito
Expanso no resistida.
Troca de calor com diferena finita de temperatura.
Mistura de 2 substncias diferentes.
Outros fatores: Efeito Joule, Combusto, Histerese, etc.
O processo de troca de calor pode ser reversvel se for feita mediante diferena infinitesimal de temperatura,
mas que exige tempo infinito ou rea infinita.
Concluso: todos os processos reais de troca de calor so irreversveis.
A eficincia da Mquina de Carnot
No ciclo:
U=0 W = Q1 - Q2
= W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
= (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
= 1 - T2/T1Princpio de Carnot
"Nenhuma mquina trmica real, operando entre 2 reservatrios trmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "mquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatrios"
BC e DA = adiabticas
Ciclo reversvelA mquina ideal de Carnot
Ciclo terico que permite o maior rendimento entre as mquinas trmicas. Onde Q1 a quantidade de calor extrada da fonte quente e Q2 a quantidade de calor perdido para o meio , o rendimento de um ciclo dado por: = (1 - Q2/Q1) ou = 1 - T2/T1
Exemplo (UFRGS) Durante um ciclo termodinmico, uma
mquina trmica realiza um trabalho W, que igual a Q1 - Q2 , onde Q1 o calor extrado de uma fonte quente, e Q2 o calor descarregado no ambiente. O rendimento dessa mquina trmica dado por (A) (Q1 - Q2) / Q1 (B) (Q1 - Q2) / Q2 (C) Q1 / (Q1 - Q2) (D) Q2 / (Q1 - Q2) (E) (Q1 + Q2) / Q2
Rudolf Clausius
Nasceu em Koslin (Polnia) e morreu em Bonn (Alemanha)
Fsico Terico - Termodinmica
1.- A energia do Universo constante.
2.- A entropia do Universo tende a uma valor mximo.
Entropia
A quantificao da 2a Lei
Apresentou em 1865 a sua verso para as 1a e 2a Leis da Termodinmica.
Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta.
S = QT > 0
Aumenta a EC e/ou a agitao molecular
Aumenta a desordem
A entropia a medida da desordem
Entropia e a desordem
S = Q/T < 0 a desordem diminui.
Ordem e Energia - Sistemas Biolgicos
Entropia2a Lei
Evoluo natural Ordem Desordem
Como os sistemas biolgicos se desenvolvem e mantm alto grau de ordem? uma violao da 2a Lei?
Ordem pode ser obtida as custas de energia
A fotosntese converte energia solar em energia potencial nas molculas de glucose
com de alta ordem de organizao.
Nos animaisCelulas Mitocondria
armazenam molculas de aucar para formar molculas altamente ordenadas e
estruturadass.