Termodinâmica Calor Movimento

Transcrição

1 Termodinâmica Calor Movimento

2 Revolução Industrial (Século XVIII)

3 Revolução Industrial Nasceram as fábricas e as grandes cidades, os novos meios de transporte, as novas ideologias e doutrinas econômicas, políticas e sociais um novo Mundo fruto da revolução industrial A termodinâmica, que estuda a transformação de energia térmica em energia mecânica ou vice-versa, é a origem e o resultado dessa revolução que mudou radicalmente a história da humanidade.

4 Revolução Industrial James Joule (em 1868) Experimento do equivalente mecânico da caloria. Denis Papin ( ) Físico francês que construiu uma máquina a vapor em Thomas Newcomen ( ) Inglês que construiu sua máquina a vapor em James Watt ( ) Escocês que aperfeiçoou a máquina térmica de Newcomen.

5 James Joule (em 1868) Experimento do equivalente mecânico da caloria. 1cal = 4,186 J

6 Máquinas Térmicas Trabalham em ciclos. A máquina de Denis Papin Trabalho Para onde a máquina rejeita calor Q Cold Fonte quente Fonte fria De onde a máquina retira calor Q Hot. Ciclo

7 Máquina a vapor Poucas invenções tiveram maior influência na história dos tempos modernos que a da máquina a vapor. Ao contrário do que geralmente se pensa, não foi a causa inicial da Revolução Industrial, mas sim, em parte, efeito desta

8

9

10

11 Calor e trabalho 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 Sistema fechado Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema isolado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

12 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 estado de equilíbrio do sistema, mas sim dos processos termodinâmicos pelos quais o sistema passa quando vai de um estado de equilíbrio para outro.

13 Transformação Variáveis de estado P 1 V 1 T 1 U 1 Variáveis de estado P 2 V 2 T 2 U 2 Estado 1 Estado 2 Processos Isotérmico Isobárico Isovolumétrico Adiabático Durante a transformação temperatura constante Pressão constante volume constante É nula a troca de calor com a vizinhança.

14 Trabalho de um gás Transformação Isobárica p = Pressão (N/m² ou Pascal) V = Variação de volume (m³)

15 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

16 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).

17 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?

18 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:

19 Trabalho de um gás U = Energia interna (energia cinética das moléculas) U = Variação da energia interna Q = Calor T = Trabalho Casos Particulares Transformação Isotérmica Transformação Isovolumétrica τ = 0 Q = τ Logo, Q = ΔU

20 Primeira Lei da Termodinâmica Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica. Sendo todas as unidades medidas em Joule (J). Calor Trabalho Energia Interna Q/ T/ΔU Recebe Realiza Aumenta >0 Cede Recebe Diminui <0 não troca não realiza e nem recebe não varia =0

21 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 J. Dado R=8,31 J/mol.K.

22 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 = N/m² V = 1m³

23 Primeira Lei U = Q - T Gás Expansão nula T = 0 ΔT = 0 ΔU = 0 ΔT > 0 ΔU > 0 ΔT < 0 ΔU < 0 Δ U = Q = (mc) gás ΔT Como (mc) gás = ctc ΔU depende apenas de ΔT. 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.

24 2 a Lei da Termodinâmica 1 a Lei da Termodinâmica 2 a Lei da Termodinâmica A energia total do Universo, com ou sem transformações, permanece constante. A disponibilidade de energia para realização de trabalho diminui após cada transformação - Irreversibilidade

25 2 a Lei da Termodinâmica W Q1 T T 2 = = 1 - < 1 1 W = Q 1 Q 2 2 a Lei Termodinâmica Formulação de Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%.

26 2 a Lei da Termodinâmica Segunda Lei Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente.

27 2 a Lei da Termodinâmica Formulação de Clausius Formulação Kelvin- Planck - Ambas são afirmações negativas. - Não podem ser demonstradas. - Baseiam-se em evidências experimentais.

28 Máquinas Térmicas As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.

29 Máquinas Térmicas As máquinas térmicas de resfriamento: Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

30 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%.

31 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 ]

32 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?

33 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.

34 2 a Lei da Termodinâmica - Entropia 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.

35 2 a Lei da Termodinâmica - Entropia Causas que tornam um processo irreversível. Atrito Expansão não resistida. Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, etc. Troca de calor com diferença finita de temperatura. Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

36 Entropia Entropia e a desordem Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta. S = Q T 0 Aumenta a E C e/ou a agitação molecular Aumenta a desordem A entropia é a medida da desordem Q S = > 0 T