ETAPA 1

Aula-tema: Definição e Conceitos Fundamentais. Substâncias Puras e Propriedades.Esta atividade é importante para você compreender os fenômenos associados aosconceitos de temperatura e calor, e também para descrever um sistema termodinâmico.Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

Passo 1 (Aluno)Pesquisar em livros da área a definição da palavra termodinâmica, inclusive a origemetimológica, e também o que é um sistema termodinâmico. Pesquisar, ainda, os principaiscientistas que contribuíram para o desenvolvimento da Termodinâmica Clássica.

A termodinâmica (do grego θερμη, therme, significa "calor e δυναμις, dynamis, significa "potência") é o ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume - e de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em casos menos gerais - em sistemas físicos em escala macroscópica. Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar-se a eficiência das primeiras máquinas a vapor, sendo em essência uma ciência experimental, que diz respeito apenas a propriedades macroscópicas ou de grande escala da matéria e energia.

Sistema termodinâmico

Um sistema termodinâmico em particular é um sistema constituído por um número de elementos - em essência partículas microscópicas - grande o suficiente para que o comportamento macroscópico do sistema, uma vez atingido o seu equilíbrio termodinâmico, mostre-se no âmbito de sua dimensão física para todos os efeitos análogo ao que seria esperado para a correspondente parte de um segundo sistema com densidades de matéria e energia similares ao primeiro contudo escalado de forma a conter infinitas partículas. Mesmo que o equilíbrio termodinâmico ainda não tenha sido atingido, encontrando-se presente o número suficiente de partículas imposto pela condição anterior, tal sistema classifica-se como termodinâmico. Estabelecendo-se as propriedades individuais das diversas partículas que os compõem bem como as regras de interação entre tais partículas, e levando-se o termo N que representa o número de partículas do sistema no limite ao infinito nas equações físicas descritivas estabelecidas, o comportamento macroscópico dos sistemas quando em seus equilíbrios termodinâmicos encontram-se, mediante tal definição, matematicamente determinados: uma equação fundamental relacionando as grandezas macroscópicas pertinentes é algebricamente estabelecida.

Considerações Históricas

A breve história da termodinâmica começa com Guericke, que em 1650 projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o

primeiro vácuo artificial do mundo, através dos hemisférios de Magdeburgo. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da

antiga percepção de que "a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os corpos

cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casosAristóteles.

Logo após este evento, o físico e químico irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em 1656, em

coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar.[Ref. 4] Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam

uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Com isso foi formulada a Lei de Boyle, a qual estabelece que a pressão e o

volume são inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis

Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado com uma tampa fechada hermeticamente que

confinava o vapor até alta pressão ser gerada.

Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que o recipiente explodisse devido à alta pressão.

Observando o movimento rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma máquina constituída de

um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em 1697, baseado nas idéias de Papin, que o

engenheiro Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as máquinas fossem brutas e ineficientes, elas

atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824

publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina. O texto trouxe as

relações energéticas básicas entre a máquina de Carnot, o ciclo de Carnot e a potência motriz. Isto marcou o início da termodinâmica

como ciência moderna.[Ref. 5]

Passo 2

1 Pesquisar como funciona o sistema de refrigeração de um motor, qual é o tipo desubstância utilizada como líquido de arrefecimento e quais as suas propriedades.

Nos automóveis mais antigos existia somente a preocupação de se dissipar o calor gerado pelo motor, com o tempo os automóveis passaram a aproveitar a energia calorífica gerada pela combustão para seu desempenho e durabilidade, passando a dotar de um controle mais estável e preciso da temperatura sob variadas condições de uso, como temperatura ambiente e pressão atmosférica e carga do veículo. Nos automóveis sobretudo nos modernos dotados de gerenciamento eletrônico do motor qualquer mudança na sua temperatura é alterado a quantidade de combustível injetado e o ponto de ignição. Portanto quando o sistema de arrefecimento trabalha na temperatura ideal o motor terá maior durabilidade, menor desgaste e atrito, maior economia de combustível, menos manutenção, emitirá menos poluentes e aumentará seu desempenho.

Líquido de arrefecimento: Composto de uma mistura de água destilada com aditivos anti-oxidantes (previne a corrosão dos

elementos metálicos do sistema), anti-congelantes (previne a formação de cristais de gelo quando o liquido atinge

aproximadamente 0ºC, e consequente aumento interno de pressão), e em alguns casos mais específicos algicidas (previne o

desenvolvimento de algas) ou anti-bacterianos. Sua função é efetuar a troca de calor, ele ganha calor quando passa pelo motor a

explosão e perde calor ao passar no radiador.

Bomba: Bombeia o líquido de arrefecimento fazendo circular no sistema, geralmente é acionada pela correia junto com

o alternador.

Radiador: Quando o líquido de arrefecimento passar por ele perde calor, baixando a sua temperatura e consequentemente a do

motor.

2 Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma refrigeraçãoa um motor de automóvel. Q= m.c.∆T m.água.∆T = m.car∆T

 água = águamar carcágua = 4.186 J\Kg.K = 4.186J\Kg.Kcar 1.000 J\Kg.K São necessário 4.186 J\Kg.K de ar para proporcionar a mesma refrigeração da água

Passo 3 (Equipe) 1- Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o líquido de arrefecimento opera,e o tipo de termômetro utilizado para fazer essa medição da temperatura do motor do carro.

Resposta: O principal soluto nos líquidos de arrefecimento é o etileno glicol, (1, 2etanodiol), álcool de fórmula HO-CH2CH2-OH. A sua temperatura de congelamento é de -12,9oC, e a de ebulição é de 197,3º.A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimentofaz com que a temperatura de congelamento seja inferior a -33C, e a de ebulição, superior a160ºC.Para medir a temperatura e utilizado um Sensor temperatura líquido de arrefecimento queInforma à central a temperatura do líquido de arrefecimento, o que é muito importante, poisidentifica a temperatura do motor. Nos momentos mais frios o motor necessita de maiscombustível.

2- Justificar a importância desse tipo de medição em relação à combustão do combustível.

Resposta: Fazendo a regulagem da temperatura do fluido, o motor trabalha na suatemperatura normal e aumenta o rendimento do motor e conseqüentemente reduz o consumode combustível.

3- Converter a temperatura máxima e mínima encontradas e a diferença entre elas em outrasduas escalas termométricas, a Kelvin eFahrenheit.Resposta: 

-12ºC para congelamento e 197,3ºC para ebulição Kelvin Congelamento: -285.15ºKEbulição: 470,45ºKK = °C + 273,15Fahrenhei tCongelamento: -53,6ºFEbulição: 387,14ºF°F = °C × 1,8 + 324-

4 Comentar sobre a utilização dessas outras escalas em outros países. Resposta: A escala Celsius é usada em quase todo o mundo cotidianamente, apesar de tersido chamada de centígrada até o final de 1980 e início de 1990, principalmente em previsõesdo tempo em redes de rádio e televisão européias como a BBC, a ITV, e RTÉ.Fahrenheit escala foi utilizada principalmente pelos países que foram colonizados pelos britânicos, mas seu uso atualmente se restringe a poucos países de língua inglesa, como osEstados UnidosO kelvin (símbolo: K) é o nome da unidade de base do Sistema Internacional de Unidades(SI) para a grandeza temperatura termodinâmica. O kelvin é a fração 1/273,16 da temperaturatermodinâmica do ponto triplo da água. 

Passo 4 (Equipe) Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e verificar em que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura.

Resposta:

 Massa especifica Kg\dm3Coeficiente de dilatação Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºCGasolina0,669,6 x 10-4 (20 - 220ºC)-95,368,74Álcool

 0,791100 x10-6(0 –  60ºC)-114,178,3Baseado nos dados acima a gasolina e mais vantajosa nos horários em que a temperatura esta mais fria, já o álcool e mais vantajoso em horários com temperatura mais elevada.

ETAPA 2

Passo 1 (Equipe)Pesquisar em livros da área a Primeira Lei da Termodinâmica, descrevendo a equaçãomatemática que representa essa lei.

1ª Lei da Termodinâmica

 Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as

situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho   e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

Calor Trabalho Energia Interna Q/ /ΔU

Recebe Realiza Aumenta >0

Cede Recebe Diminui <0

não troca não realiza e nem recebe não varia =0

 

Exemplo:

(1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?