TERMODINÂMICA. Radiação Solar. Anjo Albuquerque

Transcrição

1 TERMODINÂMICA Radiação Solar 1 Anjo Albuquerque

2 TERMODINÂMICA A Termodinâmica é a área da Física que nos permite compreender o mundo que nos rodeia, desde a escala dos átomos até à escala do universo; As suas leis regem a evolução do universo; Têm sempre presente a Lei da Conservação da Energia; A aplicação da Lei da Conservação da Energia aos processos nos quais há uma transferência de energia, como calor e/ou como trabalho, é conhecida por 1ª Lei da Termodinâmica. 2 Anjo Albuquerque

3 TERMODINÂMICA Na maioria dos sistemas que interessam à termodinâmica não há macroscopicamente variação de energia cinética nem de energia potencial. Há transformações de energia que se podem traduzir apenas POR VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DOS SISTEMAS E int = W + Q + R 1ª Lei da Termodinâmica OU LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Relaciona as energias que transitam do sistema para o exterior, ou vice-versa e a consequente variação de energia interna. 3 Anjo Albuquerque

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5 TERMODINÂMICA A energia interna de um sistema isolado é uma constante pelo que a E int = 0 Sistema isolado A energia interna de um sistema não isolado não é uma constante pelo que a E int = W + Q + R Sistema não isolado Ao escrevemos a 1ª Lei estamos a admitir uma convenção de sinais: Quando entra energia no sistema seja sob a forma de W, Q ou R estes são positivos pois fazem aumentar a E int >0. Quando sai energia do sistema, então Q, W ou R são negativos e E int <0. 5 Anjo Albuquerque

6 TERMODINÂMICA Considere um recipiente fechado contendo um gás, dentro de uma estufa. O gás recebe energia, como calor, da sua vizinhança e como consequência aumenta a sua temperatura e portanto a sua energia interna. E int = Q Q>0 Sistema E int > 0 Considere um cilindro com um pistão, isolado termicamente. Considere a pressão do gás inferior à pressão exterior. Como consequência do deslocamento do pistão o gás comprime-se. É assim realizado trabalho pelas forças de pressão sobre o sistema ocorrendo uma transferência de energia da vizinha para o sistema. E int = W W>0 Sistema E int > 0 6 Anjo Albuquerque

7 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA

8 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA pusculos

9 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA

10 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA Considere o sistema constituído por um recipiente com água. E int = Q Neste caso, não há realização de trabalho sobre o sistema: W = 0

11 TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA UM SISTEMA Um jovem pretende furar uma parede utilizando um berbequim. Neste caso, há realização de trabalho sobre o sistema: W>0. O berbequim e a parede aquecem, havendo uma certa elevação da temperatura desse sistema. Ocorre transferência de energia, como calor, para a vizinhança do sistema: Q<0. A variação da energia interna resulta do balanço energético do trabalho realizado sobre o sistema e da energia cedida, como calor, para a vizinhança desse sistema. E int = Q + W

12 UMA GARRAFA TERMO OU VASO DE DEWAR Se a temperatura do exterior da garrafa for, por exemplo, de 20º C, a temperatura da substância no seu interior mantém-se paticamente inalterável. A variação de energia interna do sistema é nula. A energia interna do sistema mantém-se praticamente constante. Na prática, é um sistema isolado termicamente. E int = Q + W = 0 Q = 0 e W = 0

13 EXERCÍCIO

14 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA É a variação em que o sistema não recebe nem cede calor à sua vizinhança. Durante a compressão, há uma força externa que realiza trabalho sobre o sistema. O trabalho mecânico realizado durante a compressão aumenta a energia interna do gás. Ocorre um aumento da sua temperatura. E i = W Na transformação adiabática - a variação de energia interna do sistema é igual ao trabalho realizado sobre o sistema.

15 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA Considere um certo volume de gás encerrado num recipiente fechado, munido de um êmbolo. Uma transformação isobárica ocorre a pressão constante. Os corpusculos do gás colidem uns com os outros e contra as paredes do recipiente, exercendo uma determinada pressão. Se o processo for suficientemente lento, a pressão do gás manter-se-á constante, ocorrendo uma variação na temperatura e no volume do sistema.

16 Durante a compressão LENTA do gás o trabalho realizado pelo êmbolo é positivo. SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA

17 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA Durante a expansão do gás, o trabalho realizado pelo êmbolo é negativo. A força F que o embolo exerce sobre o gás tem a mesma direcção e sentido oposto ao deslocamento (opõe-se à expansão do gás).

18 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA

19 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICAS É uma transformação em que um gás contido num recipiente hermeticamente fechado mantém constante o seu volume. Pela 1ª Lei da termodinâmica O trabalho é sempre nulo e a 1ª Lei da Termodinâmica toma a forma: Na transformação isocórica - a variação de energia interna do sistema é igual à energia recebida ou cedida pelo sistema como calor.

20 SISTEMAS GASOSOS TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA E ISOCÓRICAS (p = const) (V = const)

21 EXERCÍCIO

22 EXERCÍCIO

23 ACTIVIDADE DE LABORATÓRIO

24 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA Vimos que a energia transferida como calor entre dois sistemas se não ocorrer mudança de fase era dada por: Q = m c T c - capacidade térmica mássica C = m c C - capacidade térmica Q = C T E se ocorrer mudança de fase? Como calcular, por exemplo, a energia necessária para a água passar do estado sólido para o estado líquido e desta para o estado gasoso? E = m H H - Variação de entalpia

25 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA H - Quantidade de energia recebida ou cedida pela unidade de massa de uma substância ou material para quee sofra uma mudança de estado físico variação de entalpia

26 EXERCÍCIO Forneceu-se a um bloco de gelo com a massa de 100 g e à temperatura de -5 ºC 50 KJ. Calcule a temperatura final de um bloco de gelo. Considere: H fusão = 3,34 x 10 5 J kg -1 c gelo = 2,1 x 10 3 J kg -1 ºC -1 Solução: T = 37,2 ºC

27 MÁQUINA A VAPOR James Watt

28 DEGRADAÇÃO DA ENERGIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A máquina a vapor o avião e o canhão são exemplos de máquinas térmicas. Realizam trabalho a partir de transferências de energia. No entanto em qualquer destas situações há degradação de energia. A quantidade de energia fornecida é superior à quantidade de energia produzida. Para que um sistema realize trabalho é necessário fornecer-lhe energia.

29 MÁQUINAS TÉRMICAS James Watt Físico Escocês A locomotiva a vapor é uma máquina térmica. Tem por base os princípios desenvolvidos por James Watt. Trabalho Útil Ambiente O carvão é queimado na fornalha. O calor libertado aquece a água contida numa caldeira até à ebulição. O vapor de água produzido faz movimentar um êmbolo que está associado às rodas da locomotiva, permitindo o seu movimento. Os gases que se libertam da queima do carvão saem pela chaminé.

30 BALANÇO ENERGÉTICO NUMA MÁQUINA A VAPOR Q - calor cedido ao meio ambiente A energia transferida à máquina, como calor, não é integralmente utilizada para realizar trabalho mecânico. Parte desta energia é libertada, como calor, através da chaminé corresponde à energia dissipada.

31 POSTULADO DE KELVIN 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Transformações semelhantes à do exemplo dado levaram William Thomson (Lord Kelvin) a formular o seguinte postulado. POSTULADO DE KELVIN Nenhum sistema termodinâmico, que funcione de modo cíclico pode transferir calor de uma única fonte, transformando-o integralmente em trabalho. Físico Irlandês Este postulado é um dos possíveis enunciados da 2ª Lei da Termodinâmica. A locomotiva a vapor é uma aplicação desta Lei.

32 APLICAÇÕES DO POSTULADO DE KELVIN EM PROCESSOS INDUSTRIAIS Balanço Energético numa Central Térmica Q 1 calor perdido na caldeira. Q 2 calor perdido por arrefecimento no condensador. Q 3 calor perdido nos circuitos do alternador e do transformador.

33 MÁQUINAS TÉRMICAS Um dos principais objectivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível.

34 POSTULADO DE CLAUSIUS 2ª LEI DA TERMODINÂMICA POSTULADO DE CLAUSIUS É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais alta. Físico Alemão Quando se adiciona o chocolate quente ao gelado, o calor transfere-se, espontaneamente, num único sentido: do chocolate para o gelado até se atingir o equilíbrio térmico.

35 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente através da realização de trabalho. Ex: frigorífico, arcas congeladoras e bombas de calor.

36 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai da fonte fria, Q f, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia. Pode ser superior a 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Uma eficiência igual a 5, significa que o frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por cada 1 J de energia eléctrica que consome.

37 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversiveis.

38 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Em 1865, Clausius estabeleceu uma lei que necessitou da definição de uma nova variável de estado termodinâmica ENTROPIA e que mede a desordem que ocorre na estrutura de um sistema à medida que este evolue. A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversíveis.

39 ENTROPIA 2ª LEI DA TERMODINÂMICA A queda de uma bola também é um processo irreversível. Ocorre num só sentido. É impossível a ocorrência espontânea de um processo irreversível, no qual há uma diminuição total da entropia.

40 2ª LEI DA TERMODINÂMICA LEI DA NÃO DIMINUIÇÃO DA ENTROPIA Um corpo quente em contacto com um corpo frio não pode aquecer. Físico Irlandês A entropia de um sistema isolado não pode diminuir. A entropia do universo nunca diminui Nos processos espontâneos, há diminuição de energia útil.

41 EXERCÍCIO Explica o processo de dissolução (difusão) de um cristal de permanganato de potássio em água e relaciona-a com a entropia do sistema.

42 EXERCÍCIO

43 EXERCÍCIO

44 EXERCÍCIO

45 MÁQUINAS TÉRMICAS As máquinas térmicas são dispositivos que convertem calor em trabalho. Ex. motor de um automóvel. É denominado motor de combustão interna