Termodinâmica é a ciência que trata

• do calor e do trabalho• das características dos sistemas e• das propriedades dos fluidos termodinâmicos

Termodinâmica

1. Sistema - porção definida do espaço.

Ex. uma solução, uma célula, um cilindro

de gás, um corpo...

Termodinâmica

2. Entorno - tudo que envolve o sistema.

Não tem limite. É o ambiente

Os sistemas podem variar de volume,

temperatura e energia.

Abertos/fechados.

Termodinâmica

Os sistemas possuem dois tipos de

energia:

Energia Interna...

Potencial – é a composição química

Cinética – é o conteúdo de calor

Termodinâmica

Os sistemas possuem dois tipos de

energia:

Energia Externa...Potencial – é dependente da altura do

sistema no Campo G. Cinética – é dependente da velocidade de deslocamento do sistema no espaço.

Termodinâmica

Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela

estar no alto (energia potencial externa),

como ser lançada (energia cinética externa),

que sua energia interna é a mesma até o

momento da explosão (a potencial, pelo

menos).

Termodinâmica

Ep + Ec INT

Ec EXT

Distância

Altu

ra

Ep EXT

m

Termodinâmica

Se um macaco come uma banana, no

alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou

parado, ele só aproveita a energia interna da

banana.

Se ele come a banana com casca faz

alguma diferença?

Termodinâmica

Mais Energia

Menos Energia

Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.

Termodinâmica

A Energia Interna de um sistema pode ou não depender de Massa do sistema, pelo menos macroscopicamente. Com isso, classifica-se

Propriedades extensivas

Propriedade intensivas

Termodinâmica

Propriedade intensivas (independem da massa).

1. pressão2. temperatura3. voltagem4. viscosidade

Termodinâmica

Propriedade extensiva(dependem da massa)

1. volume2. quantidade de matéria3. densidade4. quantidade de energia

Termodinâmica

1ª Lei:Descreve a conservação da energia.

Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.

Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.

Termodinâmica

1ª Lei:Toda transformação de energia se

acompanha de energia térmica.

Qualquer forma de energia ou trabalho, pode ser totalmente convertida em calor.

Termodinâmica

1ª Lei:

A energia do Universo é constante.

O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA

Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho.

•A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se.

A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE

wqU

Sadi Carnot1796 - 1832

James Joule1818 - 1889

Rudolf Clausius1822 - 1888

Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907

Emile Claupeyron1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica

Nasceu em Salford - Inglaterra

James P. Joule(1818-1889)

Contribuição de James Joule.

1839 Experimentos: trabalho mecânico, eletricidade e calor.

1840 Efeito Joule : Pot = RI2

1843 Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4,18 J)

1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo.

As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina:

a Termodinâmica

Lei da Conservação

de Energia

1a Lei da

Termodinâmica

Para entender melhor a

1a Lei de Termodinâmica

é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos

“percorridos” pelo calor...

Certa massa delimitada por uma fronteira.

Vizinhança do sistema.

O que fica fora da fronteira

Sistema fechado

Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

Sistema Aberto

Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.

Sistema Termodinâmico

Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2Transformação

Variáveis de estado

Variáveis de estado

“Caminho” descrito pelo sistema na transformação .

Processos

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura constante

Isobárico Pressão constante

Isovolumétrico volume constante

Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Transformações1a Lei da Termodinâmica

ΔU = U2 – U1

Variação Energia Interna

W > 0 → sistema realiza trabalho

W < 0 → sistema sofre trabalho

Q > 0 → sistema recebe calor

Q < 0 → sistema perde calor

1a Lei

Q = W + ΔU

Sistema Fechado

Q = W + ∆U

Gás

Expansão nulaW = 0

Δ U = Q

ΔU depende apenas de ΔT.

ΔT = 0 → ΔU = 0

ΔT > 0 → ΔU > 0

ΔT < 0 → ΔU < 0

Como U é uma variável de

estado, ΔU não depende do processo.

Variação da Energia Interna

A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

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

∆V = V2 -V1

∆U = Q - W

Wdepende de

como a pressão e volume mudam

no processo.

W = F.d

F = Pr.S

W = Pr.S.d

W = Pr.ΔV

.

O trabalho que atravessa a fronteira

depende do processo?

P1V1 = nRT1

Estado 1

no de moles

Constante dos gases

R  = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K

Diagramas P x VGases ideais

1P1

V1

T1Como as variáveis

de estado se relacionam?

Equação de estado

1ª Lei da Termodinâmica

W = 0

Q = m CV (T2-T1)

Calor específico a volume constante

U = Q

∆V = 0

Transformação de 1 → 2

Volume invariávelIsovolumétrica

Processo isovolumétricoTransformação a volume constante

Q = W + U

Q =   + m CP (TB - TA)

calor específico a pressão constante

W = Po [VB-VA]

1ª Lei da TermodinâmicaQ = W + U

Transformação a pressão constante

Processo isobárico

Êmbolo movimentado lentamente

∆U = 0 → ∆T=0

Transformação à temperatura constante

Q = W

Q = W + 0

Processo Isotérmico

Movimento rápido do êmbolo.

Q = 0

W = -   ∆U

Primeira Lei da TermodinâmicaQ = W + ∆U

Q = 0 → ∆U= - W

Compressão adiabática

Trabalho transforma-se em calor

Q = 0

O processo ocorre tão rapidamente que o

sistema não troca calor com o exterior.

WÁrea sob o grafico

Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor

3.- Wciclo = W = área 12341

Wciclo > 0 → Qciclo 0

O sentido do ciclo no diagrama PV :  horário. O sistema recebe Q e entrega W

1a Lei da TermodinâmicaQciclo = Wciclo + ∆Uciclo

Qciclo =  Wciclo

1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial

2.- Qciclo = Q

Processos cíclicos

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

Fonte quenteFonte fria

Trabalho

Ciclo

De onde a máquina retira

calor QHot.

Para onde a máquina rejeita

calor QCold

A máquina de Denis Papin1647 - 1712

Em cada ciclo

W = Q1-Q2

Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1

ε = [1 – Q2/Q1]

∆U = 0

Eficiência térmica: 1ªLei

Refrigerador

12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

Ciclo Refrigerador

Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ?

ε = [1 – Q2/Q1]

Q1 → 0

ε → 1

É possível construir esta máquina?

ε → 100%

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

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"

BC e DA = adiabáticas

Ciclo reversível

A máquina ideal de Carnot