Post on 16-Nov-2020
DISCIPLINA DE FÍSICA
PROFESSOR MARCOS AURÉLIO
TERMOLOGIA – TERMODINÂMICA
UNIDADE 7: TERMODINÂMICA (RESUMO 7)
1- TERMODINÂMICA:
Constitui a divisão da TERMOLOGIA que estuda as relações entre as quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados ou recebidos em processos físicos que envolvem um sistema gasoso e o meio externo.
2- TRABALHO TERMODINÂMICO: Os estudos da termodinâmica aplicam-se a inúmeras áreas do conhecimento, tais como:
Constitui o trabalho realizado ou recebido por um
sistema físico gasoso.
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1-MÁQUINAS TÉRMICAS: que convertem calor em trabalho.
2- MÁQUINAS DE REFRIGERAÇÃO: que recebem trabalho e liberam calor.
3- ESTUDOS DE QUÍMICA: estudo da espontaneidade e dos mecanismos de reações químicas.
OBSERVAÇÕES SOBRE O TRABALHO
TERMODINÂMICO:
A dedução da equação que permite calcular o trabalho termodinâmico (W) em função da pressão (P) exercida pelo gás e da variação de volume (∆V) se dá conforme abaixo descrito:
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1°- Se o gás se expande, esse realiza trabalho:
2°- Se o gás se contrai, esse recebe trabalho:
3°- Em um gráfico de pressão (P) versus volume
(volume), o trabalho é numericamente igual a área do
gráfico:
4°- Em uma transformação cíclica o trabalho é
numericamente igual a área do ciclo:
5°-Em uma transformação isocórica (volume
constante) o trabalho é nulo:
O gás não se expande nem se contrai, portanto,
respectivamente não realiza e não recebe.
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7°- Em uma transformação isotérmica (temperatura
constante) o trabalho pode ser calculado também pela
seguinte equação:
6°-Em uma transformação isobárica (pressão constante)
o trabalho pode ser calculado também pela seguinte
equação:
3- PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA:
A variação de energia interna (∆U) sofrida por um
gás corresponde a diferença entre a quantidade de
calor (Q) trocada pelo gás e o trabalho (W) realizado
ou recebido por esse.
3.1- OBSERVAÇÕES SOBRE A PRIMEIRA LEI DA
TERMODINÂMICA:
1°- A energia interna de um gás (U) é composta
conforme o descrito no esquema abaixo:
2°- Para gases ideais monoatômicos, a energia
interna (U) do gás é determinada somente pela
energia cinética translacional das moléculas do gás
(Ec).
3°- Na prática é impossível medir a energia interna de um gás
ideal. O que se consegue medir é a variação da energia
interna durante um processo termodinâmico.
1°-TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA:
Em uma transformação isotérmica todo calor recebido é
transformado em trabalho:
3.2- APLICAÇÕES DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA:
2°-TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICA:
Em uma transformação isocórica todo calor
recebido é empregado para elevar a energia interna
do gás.
Para calcular a quantidade de calor em uma transformação isocórica podemos empregar a equação abaixo deduzida:
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3°-TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA:
Em uma transformação isobárica a diferença entre a
quantidade de calor recebido e o trabalho realizado
corresponde a variação de energia interna sofrida pelo gás.
Para calcular a quantidade de calor em uma transformação
isobárica podemos empregar a equação abaixo deduzida:
RELAÇÃO DE MAYER: Relaciona os calores específicos
molares a pressão e volume constante.
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5°-TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA:
Em uma transformação cíclica o gás após sucessivas
transformações gasosas retorna ao seu estado inicial
em termos de condições de pressão, volume e
temperatura. Deste modo, como as temperaturas inicial
e final são as mesmas, não ocorre variação de
temperatura, ou seja, não ocorre variação d energia
interna no gás, assim sendo, todo o calor recebido pelo
gás é convertido em trabalho.
4°-TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA:
Em uma transformação adiabática o gás não troca calor
com o meio externo, deste modo, esse realiza trabalho
consumindo sua energia interna, ou recebe trabalho
aumentando sua energia interna.
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A transformação adiabática pode ocorrer quando um gás contido no interior de um recipiente isolado termicamente sofre compressões e expansões muito rápidas, tais que, as trocas de calor com o meio externo possam ser consideradas desprezíveis.
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4- MÁQUINAS TÉRMICAS:
Para que uma máquina térmica consiga converter calor em
trabalho, de modo contínuo, deve operar em ciclos entre
duas fontes térmicas, uma quente (fonte de calor) e outra fria
(sistema de refrigeração).
A máquina térmica retira calor da fonte quente (Q1 )
converte-o parcialmente em trabalho (W) e rejeita o restante
para a fonte fria (Q2).
As máquinas térmicas invertidas são dispositivos nos quais
um gás de refrigeração é comprimido recebendo trabalho do
meio externo (compressor), esse gás comprimido absorve
calor do meio interno e se expande, sendo em seguida
comprimido, nessa etapa o gás libera o calor do meio interno
(mais frio- menor temperatura) para o meio externo (mais
quente-maior temperatura).
5- SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA:
O trabalho realizado (W) por uma máquina térmica
corresponde a diferença entre o calor recebido da
fonte quente (Q1) e a quantidade de calor rejeitada
para a fonte fria (Q2).
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O rendimento de uma máquina térmica, expressa a eficiência
com que essa máquina térmica transforma calor em trabalho.
5.1- RENDIMENTO TERMODINÂMICO:
O rendimento de uma máquina térmica, expressa a relação
entre o trabalho realizado (W) e a quantidade de calor
recebido (Q1):
Em 1824 Sadi Carnot idealizou um ciclo que proporciona a
avaliação do rendimento máximo de uma máquina térmica
térmica operando entre duas temperaturas pré –fixadas.
5.2- CICLO DE CARNOT:
O ciclo de Carnot consiste em duas transformações
isotérmicas intercaladas com duas adiabáticas, todas elas
reversíveis, sendo o ciclo também revesível.
1°- O ciclo de Carnot se percorrido no sentido horário
constitui uma “máquina térmica de Carnot”
2°- O ciclo de Carnot se percorrido no sentido anti-horário
constitui um “refrigerador de Carnot”
EXPANSÃO ISOTÉRMICA (1→2): O gás retira calor da fonte quente (Q1) se expande e realiza trabalho termodinâmico (W), esse processo ocorre sob temperatura constante da fonte quente (T1), portanto: (∆T=0) e (∆U=0).
COMPRESSÃO ISOTÉRMICA (3→4): O gás se contrai, recebe trabalho termodinâmico (W) e cede calor para a fonte fria (T1), esse processo ocorre sob temperatura constante da fonte fria (T2), portanto: (∆T=0) e (∆U=0).
EXPANSÃO ADIABÁTICA (2→3): O gás se expande e realiza trabalho termodinâmico (W), nesse processo ocorre diminuição da temperatura da fonte quente (T1) para a temperatura da fonte fria (T2) portanto: (∆T<0) e (∆U<0) (resfriamento).
COMPRESSÃO ADIABÁTICA (3→4): O gás se contrai e recebe trabalho termodinâmico (W), nesse processo ocorre aumento da temperatura da fonte fria (T2) para a temperatura da fonte quente (T1) portanto: (∆T>0) e (∆U>0) (aquecimento).
A segunda lei da termodinâmica pode ser
enunciada conforme o proposto por Kelvin:
5.3- OBSERVAÇÕES SOBRE A SEGUNDA LEI
DA TERMODINÂMICA :
“É impossível construir uma máquina
térmica que operando em ciclos, retire
calor de uma única fonte e o transforme
integralmente em trabalho.”
“É impossível construir uma máquina
térmica que apresente um rendimento
igual a 100 %.”
OU:
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Os refrigeradores são máquinas térmicas invertidas, pois,
retiram calor de uma fonte fria e o transferem para uma
fonte quente. Isto só se sucede porque ocorre trabalho
externo realizado pelo compressor sobre o gás refigerante.
5.4- MÁQUINAS TÉRMICAS INVERTIDAS:
O Trabalho (W) é realizado pelo compressor sobre o
gás que retira calor do interior do refrigerador (Q2).
O gás ao receber trabalho (W) irá se condensar
liberando calor (Q1) para o meio externo.
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