Calor, trabalho e 1 lei da Termodinâmicasmaira/Graduação/6º Semestre... · “Qualquer coisa...

� Trabalho de configuração.

� Trabalho dissipativo.

� Calor.

� Equivalente mecânico do

calor.

� 1a lei da Termodinâmica.

Calor, trabalho e 1a lei da Termodinâmica

Termodinâmica – 2010/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES

Teste 03:


� Data: Terça-feira, 14/09/2010.

� Problemas:

� Zemansky: 3.1 a 3.11.

� Sears / Salinger: 3.1, 3.3, 3.6, 3.8, 3.16, 3.19.

Trabalho de configuração


Heat and Thermodynamics, Zemansky

dW VPd= dW Hd= − µ dW dLF= −

dW XYd=∑

Coordenadas:

• Intensivas.

• Extensivas.

dVP HdW d= − µ

Trabalho dissipativo



• Não pode ser diretamente associado a uma variação global nas

coordenadas termodinâmicas do sistema.

• Não há (necessariamente) alteração na configuração do sistema.

• Envolve a existência de efeitos dissipativos.

• Processos irreversíveis. Thermodynamics…, Sears & Salinger

Calor – definição calorimétrica



• Calor é “aquilo” que é transferido entre um sistema e suas

vizinhanças apenas em virtude da diferença de temperatura

entre o sistema e as vizinhanças.

• Paredes adiabáticas: não permitem a troca de calor.

• Paredes diatérmicas: permitem a troca de calor.

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node11.html

Conceito de Calor – um pouco de história


• Teoria do Calórico: atribuía as alterações sofridas por corpos em

contato térmico à troca de um fluido (calórico), que passaria do corpo

mais quente para o mais frio.

� Lavoisier (1783), Laplace (1816), Carnot (1824), ...

� Teoria amplamente aceita no final do século XVIII (~1780)...

�...mas seriamente questionada na metade do século XIX (~1850).

http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Caloric



• Benjamim Thompson (Conde Rumford):

experimentos envolvendo a perfuração de canhões

com brocas (~1798).

http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html

Rumford (1753-1814)� O calor era produzido de forma ininterrupta,

enquanto os cavalos estavam trabalhando.

� Mais calor era produzido quando a ferramenta

estava cega.

� Como poderia o movimento dos cavalos produzir

um fornecimento inexaurível de calórico?



• Benjamim Thompson (Conde Rumford):

“Qualquer coisa que qualquer corpo isolado ou

sistema de corpos pode continuar a fornecer

ilimitadamente, não tem possibilidade de ser uma

substância material; e me parece extremamente

difícil, se não totalmente impossível, formar qualquer

ideia clara de qualquer coisa, capaz de ser acionada

e transmitida da forma como o calor o foi nessas

experiências, a não ser que seja movimento.”

H. C. Von Bayer, A Física e o nosso mundo.

Rumford (1753-1814)



• Esforços experimentais para comprovar a equivalência

entre trabalho e calor:

• Julius R. Von Mayer (1842).

• Ludwig A. Colding (~1843).

• James P. Joule (1843).

“On the existence of an equivalent relation between

heat and the ordinary forms of mechanical power”,

Philosophical Magazine, Series 3, Vol. XXVII, p. 205,

1845. Joule (1818-1889)

http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat

http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical)

O equivalente mecânico do calor


• Experimento de Joule (~1843):

http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat

QJ

W=

“After reducing the result to the capacity

for heat of a pound of water, it appeared

that for each degree of heat evolved by

the friction of water a mechanical power

equal to that which can raise a weight of

890 lb. to the height of one foot had

been expended.”

http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical)

O equivalente mecânico do calor


• Definição de caloria: quantidade de calor necessária para aquecer 1 g de

água pura de 14,5 até 15,5 °C à pressão atmosférica (“caloria 15°C”).

• Medida de J ⇒ medida do calor específico da água.

• Caloria IT (International Table), adotada pela 5a Conferência Internacional

das Propriedades do Vapor (Londres, 1956):

• 1 cal = 4,1868 J.

QJ

W=

http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf

O calor específico da água



Calor e trabalho em um processo termodinâmico



Calor versus trabalho


Físico-Química, Vol. 1, Atkins

Trabalho Calor

Trabalho em processos adiabáticos



Trabalho em processos adiabáticos



i

fa

b

c

d

e

Alguns

caminhos:

iaf

ibf

icdf

iebf

Formas de trabalho adiabático:

• Expansões quase-estáticas.

• Expansões não-quase-estáticas.

• Trabalho dissipativo (resistores).

Primeira Lei da Termodinâmica



• Fato experimental: o trabalho total realizado em processos adiabáticos

depende apenas das coordenadas termodinâmicas dos estados inicial e

final.

• Se um sistema tem seu estado alterado por meio de processos unicamente

adiabáticos, o trabalho total envolvido é o mesmo para todos os caminhos

adiabáticos conectando os estados inicial e final.

• Definição da energia interna (função de estado):

( )i f f iadiabá UicoW t U→ =− −addU dW= −

(1a Lei da Termodinâmica para processos adiabáticos)




• Definição termodinâmica do calor: quando um sistema – cujas vizinhanças

estão em temperaturas diferentes e sobre o qual trabalho pode ser realizado

– passa por um processo termodinâmico qualquer, a energia transferida por

meios não mecânicos, que é igual à diferença entre a variação da energia

interna e o trabalho realizado, é chamada de calor.

• O calor corresponde, portanto, à energia em trânsito entre um sistema e

suas vizinhanças em virtude unicamente da existência de uma diferença de

temperatura.

• Assim como o trabalho, o calor não é uma função de estado.

depende do caminhof

idQ →∫diferencial inexatadQ →




• Calor, Trabalho e Energia Interna:

adQ W W= −

Q U W= ∆ +

depende docaminhof

idQ →∫

depende docaminhof

idW →∫

do caminhof iU U U∆ = − → não depende

f

i

1

2

Convenção de sinais:

Q > 0: sistema recebe calor.

Q < 0: sistema perde calor.




1 2 ad 0Q Q Q≠ ≠ =

dU dQ dW= −

ad.

f

i

1

2 1 2 adW W W U≠ ≠ = −∆

1 1 2 2 adQ W Q W W U− = − = − = ∆

(independente do caminho)

( )f iQ W U U− = −

• Calor, Trabalho e Energia Interna:

XQ ddUd Y= +∑(formas diferenciais de Pfaff)

Bibliografia e links sugeridos:

� “Calor e Termodinâmica”, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de

Janeiro, 1978.

� “Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística”, F. W. Sears &

G. L. Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1979.

� “A Física e o nosso mundo”, Hans Christian von Baeyer, Elsevier, 2004.

� “Físico-Química”, P. Atkins, J. de Paula, 7a ed, LTC Editora, 2003.

� http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node14.html.

� http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html.

� http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf.


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