TERMODINÂMICA

Termodinâmica é a ciência que trata

• do calor e do trabalho• das características dossistemas e• das propriedades dosfluidos termodinâmicos

Sadi Carnot1796 - 1832

James Joule1818 - 1889

Rudolf Clausius1822 - 1888

Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907

Emile Claupeyron1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores que construíram 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 : decréscimo 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 isolado

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

Sistema fechado

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

ProcessosProcessos 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

τ > 0 → energia que sai do sistema

τ < 0 → energia que entra no sistema

Q > 0 → calor que entra no sistema

Q < 0 → calor que sai do sistema

1a Lei

Q = τ + ΔU

Sistema Fechado

τ

∆U = Q - τGás

Expansão nula

τ = 0

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.

Q = τ + ∆U

τdepende de

como a pressão e

volume mudam no processo.

∆V = V2 -V1 τ = p . ∆V

1ª Lei da Termodinâmica

U = Q - τ

Transformação a pressão constante

Processo isobárico

τ

Processo isovolumétrico

1ª Lei da Termodinâmica U = Q

Transformação a volume constante

∆V = 0 τ = 0

∆U = 0 → ∆T=0

Processo Isotérmico

Transformação a temperatura constante

1ª Lei da Termodinâmica

Q = τ

τ

Q = 0

O processo ocorre tão rapidamente que o

sistema não troca calor com o exterior.

Processo adiabático

1ª Lei da Termodinâmica

U = - τ

τ

“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

Eficiência térmica: 1ªLei

ττ = Q1 – Q2

Ciclo Refrigerador

Quando expandimos um gás, sua pressão diminui, assim como sua

temperatura. Por um cano fino que passa pelo interior da geladeira, um gás É solto e

se expande a baixa pressão. Nessa expansão, a temperatura do gás diminui. Com isso, o gás retira calor do ambiente

que está a sua volta, ou seja, do interior da geladeira.

Um compressor que está na geladeira comprime o gás (freon, em geral) que se

encontra numa câmara. Atrás da geladeira existe outro cano, fino e comprido, por onde o gás sai do interior da geladeira. Ele libera

o calor para aatmosfera, para novamente repetir o

processo.

1) ADMISSÃOA válvula de

admissão se abre, a mistura de

ar+combustível entra no cilindro

enquanto o pistão (ou êmbolo) desce.

2) COMPRESSÃOA válvula de admissão se fecha, o pistão sobe, comprimindo no

alto do cilindro a mistura ar+combustível. Como essa é uma compressão muito rápida, não há tempo de haver troca de

calor entre a mistura combustível e o ambiente, isto é, trata-se de uma compressão adiabática e por causa disso, a temperatura

da mistura aumenta.

3) EXPLOSÃOA vela de ignição dispara uma centelha elétrica provocando a

combustão rápida (explosão) da mistura ar+combustível. Essa

explosão gera calor e a conseqüente expansão dos

gases dentro do cilindro, empurrando para baixo o

pistão. Note que, dos quatro tempos, esse é o tempo em que há realização de trabalho feito

pelo gás.

4) DESCARGA (OU EXAUSTÃO)A válvula de descarga se abre enquanto o pistão sobe empurrando o gás queimado (fumaça) para fora do cilindro.

O rendimento da Máquina de Carnot

No ciclo:

∆U=0 → τ = Q1 - Q2

η = τ/Q1 = [Q1-Q2]/Q1  =  1 -  Q2/Q1

  Q2/Q1 = T2/T1

η =  (1 -  Q2/Q1) = (1 - T2/T1)

η = 1 - T2/T1

BC e DA = adiabáticas

Ciclo reversível

A máquina ideal de Carnot

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"

Transformaçõesmáquinas térmicas - Diagrama PV