1. Termodinâmica
A Termodinâmica estuda a relação entre a energia mecânica e a térmica, num processo físico, envolvendo um corpo ou um sistema de corpos e o resto do universo.
O Calor (Q) se transfere de um corpo para o outro ou entre partes de um corpo, em consequência de choques moleculares.
O trabalho (t) é a troca energética sem influencia de diferenças de temperatura. O trabalho é realizado pela força F. A dois tipos de trabalho o externo (quando o sistema como em todo produz um deslocamento ao agir com uma força sobre o meio exterior) ou interno ( o trabalho executado por uma parte do sistema sobre outra do mesmo sistema). No estudo da termodinâmica é considerado apenas o trabalho externo.
Durante qualquer transformação sofrida pelo gás, em ambiente fechado de movimento livre, a pressão p se mantém constante. Quando Calor Q e fornecido ao sistema através de uma fonte térmica, a gás se expande, aumentando o volume e a temperatura. O gás age com uma força F, aumentando o volume realizando um trabalho t.
2.1 - Na pratica:
Q.1 – Cinco mols de um gás perfeito se encontram á temperatura de 600 K, ocupando um volume de 0,5 m3. Mediante um processo isobárico, o gás é submetido á transformação indicada no gráfico. Calcule o trabalho realizado.
Com base no gráfico sabemos que:
p = 5.104 N/m2
DV = 0,1 m3 – 0,5 m3
t = 5.104. (0,4) = - 2. 104
3. Energia interna. Lei de Joule dos Gases Ideais
A energia total de um sistema é composta de duas parcelas:
A energia externa do sistema é devida as relações que ele guarda com meio exterior: energia cinética e energia potencial.
A energia interna U de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior.
Não se mede diretamente a energia interna U de um sistema. No entanto, é importante conhecer a variação da energia interna DU do sistema durante um processo termodinâmico. Esta variação é acompanhada de variação de temperatura DT. Tendo ocorrido à variação de temperatura, variou a energia cinética das moléculas do gás e, portanto variou a energia interna.
Como regra geral, na Termodinâmica, a conversão de energia térmica em energia mecânica é realizada usando-se uma quantidade constante de gás. Depreende-se daí uma conclusão muito importante, conhecida como lei de Joule para os gases perfeitos:
A partir da expressão deduzimos que:
Conforme a variação de Temperatura que o gás sofre no processo:
T2 > T1Þ DT >0 Þ DU > 0 |
A temperatura do gás aumenta a variação de temperatura é positiva, a energia interna é positiva |
T2 < T1Þ DT < 0 Þ DU < 0 |
A temperatura do gás diminui a variação de temperatura é negativa, A energia interna é negativa. |
T2 = T1Þ DT = 0 Þ DU = 0 |
A temperatura do gás é constante, a variação de energia interna é nula. |
3.1 – Na pratica:
Q2- Uma porção de dois mols de oxigênio é aquecida de 10 °C até 90 °C. Considerando o oxigênio como gás perfeito, calcule a diferença entre a energia interna anterior e posterior ao aquecimento do gás. Constante universal dos gases perfeitos: R = 8,31 J/mol. K
DU = 3/2. 2. 8,31. (363 -283)
DU = 3/2. 2. 8,31. 80
DU é aproximadamente 1.994 J
4. Primeira Lei da termodinâmica Num processo termodinâmico sofrido por um gás, há dois tipos de trocas energéticas com o meio exterior: o calor trocado Q e o trabalho realizado t.
A variação de energia interna DU sofrida pelo sistema é consequência do balanço energético entre essas duas quantidades.
Assim a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa por:
5 - Transformações Gasosas
5.1 - Transformações Isotérmicas (temperatura constante)
Numa transformação isotérmica, o calor trocado pelo gás com o exterior é igual ao trabalho realizado no mesmo processo.
Como a temperatura não varia, a variação da energia interna do gás é nula:
5.2 - Transformação isobárica (pressão constante)
Numa expansão isobárica, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado.
O trabalho realizado: t = p DV
Calor trocado: Qp = m. cp. DV
A quantidade de calor trocada é igual uma massa m de um gás ideal, multiplicado pela pressão constante Cp vezes a variação de temperatura DT.
Sendo M a massa molar do gás, podemos dizer que m = n. M
Assim M. Cp constitui o valor molar a pressão constante do gás: a fórmula conclui-se
Qp = n.Cp. DT
5.2.1- Variação de energia interna
Na transformação isobárica há sempre variação de temperatura, isto é, DT ¹ 0. Por conseguinte, sempre haverá variação de energia interna.
Em vista da primeira lei da termodinâmica, podemos concluir que as quantidades de energia trocada com o ambiente, sob forma de calor ou de trabalho, são necessariamente diferentes.
5.3 - Transformação isocórica (volume constante)
Numa transformação isocórica a variação da energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada no meio exterior
Trabalho realizado é nulo, pois não há variação de volume
O calor trocado é dado por Q = m cV DT
O calor molar e pressão constante
Q = n cV DT
5.4 - Transformação Adiabática
Um gás sofre uma transformação adiabática quando não troca calor com o meio exterior. Essa transformação pode ocorrer quando o gás esta contido no interior de um recipiente termicamente isolado do ambiente ou sofre expansão e compressão suficientes rápidas para que as trocas de calor com ambiente possam ser consideradas desprezíveis.
Numa transformação adiabática a variação de energia interna é igual em módulos e de sina a trabalho realizado na transformação.
Numa transformação adiabática as variáveis de estado relacionam com a lei geral dos gases, e com a lei Poisson, apresenta a Fórmula p1 x Vy1 = cte
Onde Y é o expoente Poisson = cp
cV
6 – Transformações Cíclicas
Transformação Cíclica ou ciclo de um sistema é o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que os seus estados finais e iniciais são iguais.
Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia ( D U = 0), havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo.
Num diagrama P x V, uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.
Todo o dispositivo que faz a conversão no processo cíclico em sentido horário transforma energia térmica em energia mecânica, é chamado máquina térmica ou motor térmico.
Todo o positivo que faz a conversão no processo cíclico no sentido anti-horário a uma conversão de energia mecânica em energia térmica. E chamado máquina frigoríficas.
7 - Transformação reversível e irreversível
Transformação reversível - Uma transformação reversível é aquela em que tanto o sistema quanto o meio que o contém podem ser levados de volta ao estado original.
Transformação irreversível - Quando sua inversa só puder se efetuar com parte de em processo mais complexo, envolvendo modificações nos corpos circundantes.
Nenhuma transformação onde haja a presença do atrito é reversível. Da mesma forma a transferência de calor de um corpo mais quente para um mais frio é irreversível. Em uma transformação reversível não há perda de trabalho em calor, ao contrário de um processo irreversível. Numa transformação reversível de um estado A para um estado B o trabalho e a quantidade de calor tem mesmo valor absoluto e sinais opostos do que na transformação do estado B para o estado A.
8 - Segunda lei da Termodinâmica
Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.
Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre sistemas em contato tendem a igualar-se. As diferenças de pressão, densidade e, particularmente, as diferenças de temperatura tendem a equalizar-se. Isto significa que um sistema isolado chegará a alcançar uma temperatura uniforme
A segunda lei da termodinâmica tem sido expressada de muitas maneiras diferentes.
A transferência preferencial de calor do corpo quente para o corpo frio levou Celsius a enuncia a segunda lei da do seguinte modo:
Sendo o calor uma forma inferior de energia, não é simples sua conversão em outra forma de energia embora a primeira lei estabeleça essa possibilidade. Assim Kelvin e Planck enunciaram a segunda lei da termodinâmica da seguinte maneira:
8.1 - Máquina térmica: conversão de calor em trabalho.
Quando, por exemplo, um gás realiza em sentido horário no diagrama de trabalho, há transformação de calor em trabalho. No entanto, de acordo com a segunda Lei, essa ocorrência não é possível.
A máquina térmica, por exemplo, as máquinas a vapor, foram inventadas e funcionavam antes que seu principio teórico fosse estabelecido.
Estudando essa máquina, Carnot evidenciou que uma diferença de temperatura era tão importante para uma máquina térmica quanto à diferença de nível d'água para uma máquina hidráulica. Estabeleceu, então, que:
8.1.1 - Rendimento da máquina térmica
Define se o rendimento η da máquina térmica pela relação entre energia útil obtida da máquina, Que é o trabalho (Q1 – Q2), e energia total que é quantidade de calor Q1, recebida da fonte quente:
η = Q1 – Q2 η = 1 – Q2
Q1 Q1
Segundo a expressão o rendimento seria 100%, porém ela rende no máximo 30% de rendimento.
8.1.2 - Na pratica
Q3- Uma máquina térmica recebe 5 000 J de calor da fonte quente e cede 4 000 J para a fonte fria a cada ciclo. Determine o rendimento dessa máquina.
Podemos responder das seguintes formas:
8.2 - A máquina Frigorífica: conversão de trabalho em calor
A máquina frigorífica é um dispositivo que, durante seu funcionamento, efetuam a transformação de trabalho em calor. Ela tem a função de transferir calor de um lugar em menor temperatura para outro, de temperatura mais elevada. Entretanto a transferência não ocorre espontaneamente, mas sim á custa de um trabalho externo
Por exemplo, os refrigeradores são máquinas frigoríficas que, ao funcionarem, transferem calor de um sistema em menor temperatura (congelador) para o meio exterior, que se encontra a uma temperatura mais alta, á custa do trabalho realizado pelo compressor.
8.2.1 - A Eficiência de uma máquina frigorífica
A eficiência (e) de uma máquina frigorífica é expressa pela relação entre a quantidade de calor retirada de fonte fria (Q2) e o trabalho externo envolvido nessa transferência (t):
e = Q2
t
8.3 - Ciclo de Carnot
Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela Máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês Carnot e que tem funcionamento apenas teórico.
Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).
O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (Mas o rendimento nunca chega a 100%).
Nesse ciclo AB e CD são transformada isotérmica e BD e DA, adiabáticas:
Podemos escrevê-lo
Q1 = Q2
T1 T2
Temos que o rendimento da máquina em porcentagem é igual a:
η = 1 – T2
T1
O rendimento do ciclo de Carnot é função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quente e fria, não podendo, portanto da substância.
9. Escala Kelvin de termodinâmica
É escala kelvin Termodinâmica é a escala obtida nesse termômetro teórico constituído por uma máquina Carnot. Nessa escala adota-se como temperatura de referencia a do ponto triplo da água, estado térmico onde coexiste gelo, água liquida e vapor d'água, em equilíbrio. A esse estado térmico corresponde, para a temperatura, o valor 273,16 K.
Desse modo, seja T = 273,16 K a temperatura da fonte quente e T a temperatura da fonte fria, que corresponde á temperatura que se deseja determinar. A função termométrica da escala Kelvin termodinâmica será:
T= 273,16 Q
QT
A escala Kelvin termodinâmica é de realização prática impossível, pois A máquina de Carnot é ideal. O termômetro cujas indicações mais de aproximam do termômetro energético descrito são os de gás a volume constante, denominado termômetro legal.
Adotando o zero absoluto como a temperatura da fonte fria de uma máquina de Carnot o rendimento é dado por: n = 1 - T2/T1
Sendo T2 = 0K, temos n = 1(100%)
Portanto:
O zero absoluto ou o Zero Kelvin (0K) é a tempera da fonte fria de uma máquina de Carnot que apresenta rendimento 100%(n=1)
Como uma máquina térmica com 100% de rendimento converte integralmente Calor em trabalho, contrariando a segunda lei da termodinâmica, Concluiu-se:
O zero absoluto é Inatingível.
A medida que o universo evolui, há diminuição da energia utilizável. E a desordem aumenta. Em todos os fenômenos naturais, a tendência é uma evolução para um estado de maior desordem. As transformações naturais sempre levam a um aumento na entropia do Universo.
Pode se disser que a variação de entropia pode ser entendida como a medida da ineficácia da energia do sistema em sua evolução natural.
11. Conclusão
As leis que a termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de limitações ou proibições que, segundo os físicos, são estabelecidas pela natureza. De acordo com esse código:
é proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se transforme em energia não aproveitável;
são proibidos ainda quaisquer dispositivos que se movimentem continuamente, sem consumo de energia, como o moto-perpétuo;
é proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frio para os mais quentes. A transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos atinjam o mesmo estado térmico;
é impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode ser alcançado.
12. Biografia
Livros:
Física volume único
Autor: Alberto Gaspar
Editora ática
Minimanual compacto de física
Teoria e prática
Editora Rideel
Os Fundamentos da física 2
Autor: Ramalho, Nicolau. Toledo
Termologia, óptica e ondas
Editora Moderna
Sites
http://br.geocities.com/resumodefisica/termodinamica/trm01.htm
http://www.scribd.com/doc/5034883/Fisica-Termologia
h
mais exercicios em : http://www.fisicaevestibular.hpg.ig.com.br/term.htm e em http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/termodinamica
2 comentários:
necessito mais de exercicio de pratica
gostei muito do material me ajudou bastante
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