Termodinâmica e Estrutura da Matéria

Transcrição

1 Termodinâmica e Estrutura da Matéria Conceitos básicos J. Seixas

2 Sistema Índice da lição e Sistema Porque falamos de sistema? Para descrever um fenómeno físico precisamos de especificar do que estamos a falar. Em Mecânica falamos de um corpo em movimento ou de conjunto de corpos em interacção. Eles constituem os sistemas nesse domínio. Em Termodinâmica a noção de sistema é mais geral. Pode ser o gás dentro de uma garrafa, a atmosfera da Terra, o Sol, ou mesmo todo o Universo. Um sistema tem um conjunto de conceitos associados. Em conjunto eles definem o sistema. Mas atenção: a definição desses conceitos é algo arbitrária e vai delinear a forma como tratamos o problema. No entanto, uma vez definido o sistema devemos manter nos fieis à definição durante todo o tratamento do sistema! 2

3 e Sistema Como definimos Um sistema representa o que queremos estudar. Ele está rodeado pela sua vizinhança e separado dela por uma fronteira. A fronteira é muitas vezes definida de forma arbitrária e serve apenas para delimitar a zona de estudo. A fronteira pode estar parada ou em movimento, tal como os sistema no seu todo. Vizinhança Sistema Fronteira Vizinhança Sistema Fronteira 3

4 Sistema Índice da lição e Sistema Tipos de sistemas Os sistemas podem ser abertos ou fechados consoante existe ou não troca de massa com o exterior. Os sistemas abertos também são chamados volumes de controle. Fronteira Sistema fechado Sistema aberto 4

5 e Sistema Tipos de sistemas Um sistema fechado que não interage com o exterior de nenhuma forma diz se isolado. 5

6 e Sistema Tipos de sistemas Outro sistema isolado: Large Hadron Collider (LHC) 6

7 Sistema Índice da lição e Sistema Tipos de sistemas Exemplo de sistema aberto: motor de automóvel. 7

8 e Sistema Como escolher a Caso específico: centro hidropressor de um edifício (sistema aberto). Caso 1: Sabemos a potência elétrica e queremos saber quanto tempo tem a bomba de funcionar para atingir uma pressão de 8 bar no tanque. Água Caso 2: Sabemos as condições da água entrando e saindo da bomba e queremos saber a potência elétrica requerida para o sistema Tanque Bomba 8

9 e Macroscópico Que descrição para A descrição clássica dos sistemas é feita através de propriedades macroscópicas que foram sendo escolhidas segundo a sua utilidade ou relevância do ponto de vista da Física e da Engenharia: pressão, volume, temperatura, etc. Dizem respeito ao comportamento do sistema como um todo. No século XIX e XX, começando com Ludwig Boltzmann, procurou se dar uma explicação microscópica das propriedades dos sistemas particularmente usando os conceitos atómicos. Essa concepção, na realidade, foi um suporte essencial para o estabelecimento do conceito de átomo para a descrição da matéria e das suas interacções. 9

10 e Macroscópico Que descrição para Exemplo de descrição microscópica de um sistema: pressão de um gás Moléculas chocam contra a parede. A força (2ª Lei de Newton) resulta da transferência de momento linear dessas moléculas para a parede durante o choque. Todas as moléculas no volume a cinzento vão chocar contra a parede no intervalo de tempo dt. A força resulta da soma de todas as transferências de momento linear resultantes desses choques. Dividimos pela área ds do volume em causa e obtemos a pressão. Atenção: temos de conhecer a distribuição estatística da velocidade das moléculas no gás! 10

11 e Propriedades e A descrição de um sistema A descrição de um sistema requer um conjunto de conceitos básicos: Propriedade Estado Fase (nem sempre necessário) 11

12 e Propriedades e O que são Uma propriedade é uma grandeza física macroscópica de um sistema cujo valor num dado instante não depende da história passada do sistema. de propriedades: Pressão Volume Temperatura Energia Massa O que NÃO SÃO propriedades: Transferência de energia por calor ou trabalho Taxa de transferência de massa 12

13 e Propriedades e O que é o estado do sistema? O estado designa a condição de um sistema tal como é especificada pelas suas propriedades. Um sistema pode ter muitas propriedades associadas, mas em geral muitas delas estão relacionadas entre si e por isso apenas um subgrupo do conjunto total é necessário para descrever o sistema A relação entre as propriedades que descrevem um sistema designa se por equação de estado. Por exemplo, para um gás muito rarefeito (gás perfeito) a pressão P a que está sujeito, o volume V que ocupa, o número de moles N que o constitui e a sua temperatura T, estão relacionados pela equação de estado em que R é uma constante (constante dos gases perfeitos) 13

14 e Propriedades e O que é o estado? Quando o estado do sistema muda diz se que o sistema esteve sujeito a um processo. Se S e S forem dois de um sistema um processo é portanto a transformação P: S Ø S. Se as propriedades do sistema não se alterarem no tempo e portanto o estado do sistema se mantiver sempre o mesmo diz se que o sistema está em estado estacionário. Por definição, uma propriedade não depende da história do sistema. Por isso o valor de uma propriedade só depende dos inicial e final e não dos detalhes do processo que leva de um estado para outro. Se, por outro lado, uma quantidade é independente do processo então o seu valor só depende dos inicial e final e por isso não depende da história do sistema: é por isso uma propriedade. 14

15 e Propriedades e O que é o estado? Moralidade: Uma grandeza física é uma propriedade se e só se o seu valor entre dois for independente do processo que os liga Exemplo: na ausência de atrito o potencial gravítico é uma propriedade, uma vez que o seu valor só depende dos pontos inicial e final do movimento. 15

16 e Propriedades e Ciclo Um ciclo, ou simplesmente ciclo, é um processo em que o sistema começa e termina no mesmo estado. s que são repetidos têm um papel muito importante nas nossas vidas: O vapor numa turbina de uma central de produção de energia eléctrica executa um ciclo. de um motor de combustão interna de um veículo a gasolina ou gasóleo. da água na atmosfera 16

17 e Propriedades e Ciclo Exemplo de ciclo 17

18 Sistema Índice da lição e Propriedades e Propriedades As propriedades de um sistema podem ser aditivas ou não. Se uma propriedade de um sistema é igual à soma do seu valor nas partes que o compõem a propriedade diz se extensiva. Uma propriedade extensiva depende do tamanho ou extensão do sistema. Exemplo: Volume, Energia, Massa. As propriedades extensivas podem mudar com o tempo e, na verdade, muitas análises termodinâmicas consistem em descrever a variação das propriedades extensivas quando os sistema interage com a sua vizinhança 18

19 e Propriedades e Propriedades Se uma propriedade não depende da extensão do sistema a propriedade diz se intensiva. Exemplo: Densidade, Temperatura, Pressão. As propriedades podem mudar com o tempo e com a posição no interior do sistema, enquanto que as propriedades extensivas variam, no máximo, apenas com o tempo. 19

20 e Fases Conceito de fase O termo fase refere se a uma quantidade de matéria que é homogénea quer em composição química, quer em estrutura física. Homogeneidade em estrutura física significa que está no estado sólido, líquido, gasoso ou plasma Um sistema pode conter mais de uma fase. Por exemplo a água numa panela aquecida contém duas fases, uma correspondendo à água líquida, outra ao vapor de água. Na verdade para a água as três fases, gelo, líquido e vapor até podem coexistir. As várias fases em presença estão separadas por uma fronteira de fase. No exemplo da panela é a superfície do líquido. Duas substâncias podem estar presentes e não serem miscíveis. Por exemplo, água e óleo dão origem a duas fases líquidas separadas por uma fronteira de fase. 20

21 e Fases Conceito de fase A estrutura de fases de um sistema depende das propriedades do sistema. 21

22 Sistema Índice da lição e Fases Conceito de fase A estrutura de fases de um sistema depende das propriedades do sistema. 22

23 Sistema Índice da lição e Equilíbrio A importância do equilíbrio em Termodinâmica Clássica A Termodinâmica Clássica dá particular enfase a processos no equilíbrio. Metodologia para testar se um sistema está em equilíbrio: num dado instante isola se o sistema e observam se as suas propriedades; se não mudarem com o tempo o sistema estava em equilíbrio no momento em que foi isolado Quando um sistema está isolado o seu estado pode mudar devido a mudanças espontâneas internas à medida que as propriedades como a pressão ou a temperatura atingem valores constantes ao longo de todo o sistema. Para que um sistema esteja em equilíbrio deve ser constituído por uma só fase ou por um conjunto de fases que não tenham tendência a mudar as suas condições quando o sistema é isolado da sua vizinhança 23

24 Sistema Índice da lição e Equilíbrio A importância do equilíbrio em Termodinâmica Clássica No equilíbrio a temperatura é a mesma por todo o lado no sistema No equilíbrio a pressão é a mesma por toda a parte no sistema se o efeito da gravidade for pequeno. Caso contrário pode existir um gradiente (variação) de pressão como no caso de uma coluna de líquido. 24