TERMODINÂMICA

1. Perdas de calor Quando uma energia se transforma em outra, sempre há perda de calor TERMODINÂMICA Prof. Ricardo Alencar

2. Termodinâmica é a ciência que trata • do calor e do trabalho • das características dos sistemas e • daspropriedades dos fluidos termodinâmicos Máquina Térmica

3. Equivalente Caloria-Trabalho • A descida do bloco faz girar a roldana com palhetas que transmitem energia térmica (cinética das moléculas) para a água. Fig. 5.7 1 cal = 4,184 joules

4. Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica James Joule 1818 - 1889 Sadi Carnot 1796 - 1832 Emile Claupeyron 1799 - 1864 Rudolf Clausius 1822 - 1888 Wiliam Thomson ou Lord Kelvin 1824 - 1907

5. Para entender melhor a 1a Lei de Termodinâmica é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos “percorridos” pelo calor...

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

7. Transformação Variáveis de estado Variáveis de estado P2 V2 T2 U2 P1 V1 T1 U1 Estado 1 Transformação Estado 2

8. Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2

9. Transformações 1a Lei da Termodinâmica Sistema Fechado 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 + ΔU ΔU = U2 – U1 Variação Energia Interna

10. PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA W W W W

11. W W W W Exemplo • (PUCRS) Durante a expansão de um gás, este realiza um trabalho de 200 J, mediante o recebimento de uma quantidade de calor equivalente a 900 J. Nessa expansão a variação da energia interna do gás é  • (A) 900 J.  (B) 700 J.  (C) 500 J.  (D) 300 J.  (E) 200 J. 

12. Variação da Energia Interna ∆U = Q - W Gás Expansão nula W = 0 Δ U = Q = (mc)gásΔT ΔT = 0 → ΔU = 0 ΔT > 0 → ΔU > 0 ΔT < 0 → ΔU < 0 Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo. Como (mc)gás = ctc ΔU depende apenas de ΔT. A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

13. O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

14. O trabalho que atravessa a fronteiradepende do processo? ∆U = Q - W W = F.d . W depende de como a pressão e volume mudam no processo. F = Pr.S W = Pr.S.d ∆V = V2 -V1 W = Pr.ΔV

15. Gráfico Trabalho x Volume W > 0 se sentido HORÁRIO   W < 0 se sentido ANTI-HORÁRIO  

16. Exemplo • (PUCRS)O gráfico p x v representa as transformações experimentadas por um gás ideal. O trabalho mecânico realizado pelo gás durante a expansão de A até C, é em Joules: (A) 10  (B) 20  (C) 30  (D) 50  (E) 80 

17. Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 1 P1 Como as variáveis de estado se relacionam? T1 no de moles V1 P1V1 = nRT1 Equação de estado Constante dos gases R  = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K

18. Processo isovolumétrico - Transformação a volume constante Q = n  CV  (T2-T1) Calor específico molar a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica Transformação de 1 → 2 U = Q - W W = 0 ∆V = 0 Volume invariável Isovolumétrica U = Q = n  CV  (T2-T1)

19. Exemplo • (UFRGS) Um gás é aquecido dentro de um recipiente de volume constante. Nessas condições  (A) aumenta a energia cinética média de translação das moléculas do gás.  (B) é realizado um trabalho pelo gás.  (C) a pressão do gás diminui.  (D) a pressão do gás permanece constante  (E) ocorre uma transformação adiabática.

20. Processo isobárico Transformação a pressão constante calor específico molar a pressão constante Q =+ n CP(TB - TA) ∆U = n  Cv (TB-TA) W = Po [VB-VA] Calor específico a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica U = Q - W

21. Processo Isotérmico Transformação à temperatura constante Êmbolo movimentado lentamente ∆U = 0→ ∆T=0 0 = Q – W Q = W  Q = W = n  R  T  [ln(V2/V1)]

22. Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Movimento rápido do êmbolo. Q = 0 Q = 0 Primeira Lei da Termodinâmica ∆U = Q - W Q = 0 → ∆U= - W W = -   ∆U = - nCv∆T W Área sob o grafico Compressão adiabática Trabalho transforma-se em calor

23. Exemplo • (UFRGS) Qual é a variação de energia interna de um gás ideal sobre o qual é realizado um trabalho de 80J, durante uma compressão adiabática?  (A) 80J  (B) 40J  (C) zero  (D) -40J  (E) -80J 

24. Exemplo • (UFRGS) O desenho mostra um cilindro de metal dotado de um êmbolo móvel em cujo interior encontra um gás ideal em equilíbrio termodinâmico  Em dado instante uma força de módulo F age sobre o êmbolo que comprime o gás rapidamente. Durante a compressão   I. ocorre um aumento de energia interna do gás.  II. o trabalho realizado pela força de módulo F produz uma elevação da temperatura do gás .  III. o trabalho realizado pela força de módulo F é igual a quantidade de calor que se transmite para o meio externo.  Quais estão corretas?   (A) Apenas I.  (B) Apenas II.  (C) Apenas I e II.  (D) Apenas II e III.  (E) I, II e III. 

25. Processos cíclicos 1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial 2.- Qciclo = Q 3.- Wciclo = W = área 12341 1a Lei da Termodinâmica ∆Uciclo = Qciclo - Wciclo Qciclo =  Wciclo Wciclo > 0 → Qciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama PV :  horário. O sistema recebe Q e entrega W

26. Exemplo • (UFRGS)O gráfico da pressão p em função do volume V de um gás mostra duas transformações termodinâmicas, I e II, a partir do estado inicial i. Os estados finais das duas transformações apresentam o mesmo volume (Vf), mas pressões diferentes.  A partir do gráfico, é possível afirmar que:   (A) o trabalho realizado pelo gás na transformação I é maior do que o realizado na transformação II.  (B) na transformação II não há trabalho realizado.  (C) na transformação I não há variação de energia interna do gás.  (D) a transformação II é isobárica.  (E) a transformação I é adiabática.  

27. Exemplo • (UFRGS)Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas no texto abaixo.  A f unção do compressor de uma geladeira é a de aumentar a pressão sobre o gás freon contido na tubulação. Devido à rapidez com que ocorre a compressão, esta pode ser considerada uma transformação __________. A temperatura e a pressão do gás se elevam. Como não há trocas de calor, o trabalho realizado pelo compressor é igual a variação da energia __________ do gás.   (A) adiabática - interna  (B) isotérmica - cinética  (C) isotérmica - interna  (D) adiabática - potencial  (E) isobárica – interna 

28. Máquinas Térmicas “Trabalham” em ciclos. Máquinas térmicas são dispositivos que convertem calor em trabalho e vice-versa: máquinas a vapor, motores a explosão, refrigerados, etc.  

29. A máquina de Denis Papin1647 - 1712 Trabalho Para onde a máquina rejeita calor QCold Fonte quente Fonte fria De onde a máquina retira calor QHot. Ciclo

30. Eficiência térmica: 1ªLei Em cada ciclo ∆U = 0 W = Q1-Q2 Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1 ε= [1 – Q2/Q1]

31. Ciclo Refrigerador Bomba de calor Refrigerador 1-2: compressão adiabática em um compressor 2-3: processo de rejeição de calor a pressão constante 3-4: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 4-1: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

32. 2a Lei da Termodinâmica Entropia Enunciado de Kelvin   "É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, extraia calor de uma fonte e o transforme integralmente em trabalho." Enunciado de Clausius   "O calor só pode passar, espontaneamente, de um corpo de maior para outro de menor temperatura." 1a Lei da Termodinâmica 2a 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

33. Refrigerador ou Bomba de Calor COPRefrigerador = Q2/W COP Bomba Calor = Q1/W Segunda Lei Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclo termodinâmico, não produza outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para outro quente.

34. Máquinas Térmicas W = W2 – W1 ε = W/Q1 = [1 - T2/T1]  < 1 2a LeiTermodinâmica Formulação de Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ou seja uma máquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em trabalho.

35. Segunda Lei Termodinâmica Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. Formulação Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ambas são afirmações negativas. Não podem ser demonstradas. Baseiam-se em evidências experimentais. A 2a Lei enuncia a impossibilidade de construção de moto perpétuo de 2a espécie. 1a Espécie: criaria trabalho do nada. Viola a 1a Lei. 2a Espécie: viola a 2a Lei 3a Espécie: inexistencia de atrito produziria movimento eterno sem realização de trabalho Moto Perpétuo

36. Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ? ε= [1 – Q2/Q1] Q1→ 0 ε→ 1 ε→ 100% É possível construir esta máquina?

37. Máquinas Térmicas 100% de rendimento ? Impossível! Qual o máximo rendimento de uma Máquina Térmica?

38. A construção de uma máquina ideal Definição de um processo ideal. Processo reversível. Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem deixar vestígios no sistema e no meio circundante. Processo reversível: desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

39. Causas que tornam um processo irreversível. Atrito Expansão não resistida. Mistura de 2 substâncias diferentes. Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, Histerese, etc. Troca de calor com diferença finita de temperatura. O processo de troca de calor pode ser reversível se for feita mediante diferença infinitesimal de temperatura, mas que exige tempo infinito ou área infinita. Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

40. A máquina ideal de Carnot Ciclo reversível A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: ∆U=0 → W = Q1 - Q2 ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1  =  1 -  Q2/Q1   Q2/Q1 = T2/T1 ε =  (1 -  Q2/Q1) = (1 - T2/T1) ε = 1 - T2/T1 BC e DA = adiabáticas Ciclo teórico que permite o maior rendimento entre as máquinas térmicas. Onde Q1 é a quantidade de calor extraída da fonte quente e Q2 é a quantidade de calor perdido para o meio , o  rendimento de um ciclo é dado por:   ε =  (1 -  Q2/Q1) ou ε = 1 - T2/T1 Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"

41. Exemplo • (UFRGS) Durante um ciclo termodinâmico, uma máquina térmica realiza um trabalho W, que é igual a Q1 - Q2 , onde Q1 é o calor extraído de uma fonte quente, e Q2 é o calor descarregado no ambiente. O rendimento dessa máquina térmica é dado por  (A) (Q1 - Q2) / Q1  (B) (Q1 - Q2) / Q2  (C) Q1 / (Q1 - Q2)  (D) Q2 / (Q1 - Q2)  (E) (Q1 + Q2) / Q2 

43. Entropia Rudolf Clausius Nasceu em Koslin (Polônia) e morreu em Bonn (Alemanha) Físico Teórico - Termodinâmica Apresentou em 1865 a sua versão para as 1a e 2a Leis da Termodinâmica. 1.- A energia do Universo é constante. 2.- A entropia do Universo tende a uma valor máximo. A quantificação da 2a Lei

44. Entropia e a desordem Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta. ∆S = QT  0 Aumenta a EC e/ou a agitação molecular Aumenta a “desordem” A entropia é a medida da desordem ΔS = Q/T < 0 → a “desordem” diminui.

45. Ordem e Energia - Sistemas Biológicos Entropia 2a Lei Evolução natural Ordem → Desordem Como os sistemas biológicos se desenvolvem e mantém alto grau de ordem? É uma violação da 2a Lei? Ordem pode ser obtida as custas de energia A fotosíntese converte energia solar em energia potencial nas moléculas de glucose com de alta ordem de organização. Nos animais Celulas – Mitocondria armazenam moléculas de açucar para formar moléculas altamente ordenadas e estruturadass.