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TERMODINÂMICA
Prof. Rangel
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GÁS
Gás é um estado físico da matéria onde as moléculas tem maior energia e
grau de liberdade.
Características:
o O volume é igual ao do recipiente que o contem.
o Alta compressibilidade;
o Volume variável de acordo com a temperatura
e pressão;
As equações termodinâmicas funcionam bem para
gases ideiais.
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Sempre que um gás sofre uma modificação em pelo menos uma de suas Variáveis
de estado, dizemos que o gás sofreu uma TRNASFORMAÇÃO GASOSA
Compressão Expansão
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O Gás Ideal e as Variáveis de Estado
Gas ideal (teoria cinética dos gases):
❑ A tamanho das partículas é despresível em relação a distancia média das
moléculas.
❑ As partículas não interagem entre si;
❑ Gases reais podem ser aproximados a gases perfeitos em altas
temperaturas e baixas pressões;
Variáveis de Estado:
❑ O choque entre as partícullas e estas com as paredes do
Recipiente, é do tipo elástico ;
Todo gás em um sistema termodinâmico pode ser
representado pelas suas variáveis de estado.
T → temperatura
p → pressão
V → volume
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A constante de Avogadro e a Equação de Ckayperon
Mol: medida de quantidade de matéria no SI.
1 mol de moléculas tem → 6,02 x 1023 partículas.
Número de moles (n)
m : massa da amostra;
Mol : massa molar (massa presente em
1,602 x 1023 partículas/moléculas);
Ex: Quantos moles de moléculas (e quantas moléculas) estão presentes em
200g de gás hidrogênio (H2)? M.molar do H = 1g/mol. Que volume ocupara este
gás em litros (supondo p = 1atm e T = 0°C)?
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As Transformações Gasosas
São 4 as transformações gasosas:
Transfomação Isotérmica: Sem variação de temperatura.
Transfomação Isobárica: Sem variação de pressão.
Transfomação Isovolumétrica: Sem variação de volume.
Transfomação Adiabática: Sem trocas de calor.
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A equação de Clayperon (relaciona as variáveis p, T, V):
p em atm, V em liros (L) e T em K (Kelvin).
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A Tranformação Isotérmica
▪ A temperatura do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas
pressão e volume.
P1, V1 P2, V2
V1
V2
1: Expansão isotérmica.
2: Compressão isotérmica.
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A Tranformação Isobárica
▪ A pressão do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas
temperatura e volume.
T1, V1 T2, V2
p1 = p2 = …. = pn
A pressão constante, o
volume ocupado por um
gás é diretamente pro
porcinal a sua tempera
tura.
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A Tranformação Isocórica ou Isovolumétrica.
▪ O volume do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas
temperatura e pressão.
p1, T1 p2, T2
O aumento da temperatura é proporcinal ao aumento de pressão.
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A Tranformação Adiabática
▪ Neste tipo de transformação não há trocas de calor do gás com o ambiente
externo.
▪ O aquecimento do gás se da pelo aumento de sua energia interna (energia
cinética) e o resfriamento pela sua expansão (diminuição da energia interna/ ciné
tica).
▪ São reações rápidas sem que haja tempo para que ocorra trocas de calor;
p1, V1, T1 p2, V2 T2
Gás é comprimido
T aumenta.
Gás expande
T diminui.
Uma transform. Adiabática é regida pela
Equação Geral dos Gases Perfeitos:
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Gráfico de uma transformação
adiabática. Exemplo de uma expansão adibática.
Processo termodinâmico cíclico onde
V, p e T variam.
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Conceito de termodinâmica
É a área da física que estuda as causas e os efeitos das mudanças de
temperaturas (volume e pressão) em sistemas termodinâmicos.
Termo
Dinâmica
temperatura
movimento
Termodinâmica
Estuda as transformações de energia; variações de energia térmica em
trabalho útil (movimento útil) Conversão entre calor e trabalho.
Maquinas térmicas Motores a vapor;
Motores de combustão interna;
Refrigeradores;
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Contexto histórico
❖ Antes mesmo da termodinâmica surgiram as máquinas térmicas
a vapor.
❖ A primeira máquina térmica surgio na grécia, criada por Heron de Alexandria (eolípila)
❖ Em 1712 o engenheiro Thomas Newcomem construiu a primeira
máquina a vapor para retirada de água das minas de carvão
❖ Em 1765 o mecânico escosês James Watt aperfeiçoou a méquina
de Newcomem tornando-o mais eficiente – deflagra a revolução industrial
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Primeiras máquinas térmicas (Revolução Industrial)
Modelo “portátil” da máquina de
James Watt utilizada em bombas e
acionamento de tearesMáquina atmosférica de Newcomen.
Máquinas a vapor de Watt e Newcomen.
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volante
Correia de transmissão
(acionamento de máquinas)
Admissão
de vapor quente
Exaustão
de vapor frio
Cilíndro e pistãoadmissão
descarga
Motor a vapor de dupla ação utilizado nas locomotivas a vapor.
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Relação trabalho calor
+Q
> 0
Trabalho positivo: sistema (gás) executa trabalho
sobre o ambiente
-Q
< 0
Trabalho negativo: ambiente executa trabalho
sobre o sistema (gás).
gás
Gás é aquecido (recebe calor)
e expande empurrando o pistão
Gás é resfriado (perde calor)
e comprimido pelo pistão
p p
= p. ΔV Trabalho: pressão do gás x variação de volume
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Primeira Lei da Termodinâmica
A variação de energia interna de um gás ΔU, num processo termodinâmico,
é dado pela diferença entre a quantidade de calor Q trocada com o meio e o
trabalho realizado no processo.
+Q
gásΔU
-Q
ΔU = Q -
ou
= Q - ΔUO trabalho realizado por um gás depende da quantidade
de calor absorvido ou perdido por este gás descontando
deste calor o que o gás absorveu para aumentar sua
energia térmica.
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Um cilindro munido de um pistão contem gás ideal a temperatura de 273 K,
pressão de 1,02 x 105 N/m2 e volume 2,24 x 10-2 m3.
Uma força externa F atua sobre o pistão, reduzindo o volume do gás para
2,22 x 10-2 m3. A pressão se mantém contante no processo.
Calcule:
a) O trabalho realizado sobre o gás;
b) O trabalho realizado pela força externa;
c) A temperatura final do gás.
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Transformação Cíclica (sentido horário)
+Q
> 0
-Q
< 0
p
p
É a transformação em que o sistema retorna ao seu estado inicial
após uma compressão e/ou expansão
O ciclo térmico do gás gera um movimento de sobe e
desce no pistão; movimento utilizado para acinamento
mecânico
> 0
p
v
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Máquina Térmica
▪ Opera entre trocando calor entre um reservatório quente e outro frio.
▪ Seu funcionamento se baseia nas transformações gasosas que ocorrem
no fluído de trabalho (série de expansões e contrações, absorvendo e eliminando
calor).
▪ O gás executa ou recebe trabalho atraves de uma parte móvel do motor (pistão –
Biela, compressor – turbina ect).
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Segunda Lei da Termodinâmica
É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito único retirar calor
de uma fonte térmica e converte-la integralmente em trabalho .
Q1
Q2
Fonte quente
Fonte fria
T1
T2
Máquina
térmica
❖ A máquina térmica retira calor Q1 de uma
fonte quente a temperatura T1. Parte deste
calor Q2 é convertido em trabalho e outra parte
é rejeitada para uma fonte fria a T2
= Q1 – Q2
Nenhuma máquina térmica pode converter 100%
do calor recebido da fonte quente em trabalho.
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Refrigerador
❖ O refrigerador é uma máquina térmica que trabalha no sentido inverso a segunda lei da termodinâmica,
ou seja, retira calor de uma fonte fria e devolve a uma fonte quente (sentido inverso a propagação natural de
calor). Como este processo não acontece naturalmente é preciso executar trabalho.
Q1
Q2
Fonte quente
Fonte fria T1
T2
compressor
Gás refrigerante
em expansão
endotérmica.
Gás comprimido
Liquefeito
(compressor exerce
trabalho sobre o gás)
Gás comprimido
liquefeito perde
calor na
Serpentina.
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Rendimento de uma máquina térmica ()
❖ O rendimento de uma máquina térmica é fornecido pela equação:
❖ Nenhuma máquina térmica consegue ter um rendimento superior a uma Máquina de Canot
(máximo rendimento para uma máquina térmica operando entre as temperaturas
T1 e T2)
❖ A máquina térmica de Carnot foi idealizada Nicolas Sadi Carnout em 1824. sua
máquina teórica aperava com cliclos térmicos de gás ideal
Calor cedido a fonte
fria.
Calor absorvido da fonte
quente.
T. da fonte fria (em K)
T. da fonte quente (em K)
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As máquinas térmicas funcionam em ciclos. Em cada ciclo elas absorvem
calor da fonte quente, produsem trabalho, e cedem calor a uma fonte fria.
Considere uma máquina térmica que efetue 5 ciclos por segundo. Em cada
ciclo ela recebe 300J de umafonte quente e rejeita 180J para uma fonte fria.
Determine:
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O Ciclo de Carnot
Idealizado pelo engenheiro Francês Nicolas Sadi Carnot
(1796 - 1832).
Os postulados de Canot.
Nenhuma máquina operando entre duas fontes térmicas
tera rendimento maior que uma máquina de Carnot, ope
rando com as mesmas fontes térmicas.
Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de
Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o
fluído operante
O rendimento de uma máquina de Carnot:
Temperatura
da fonte fria.
Temperatura
da fonte quente.
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Uma máquina térmica funciona de acordo com o ciclo de Carnot, fornece
100J em forma de trabalho em cada ciclo. As temperaturas das fontes
quentes e frias são, respectivamente, 327°C e 177°C.
Determine:
a) O rendimento da máquina;
b) A quantidade de calor trocada com as fontes;
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Motores de combustão interna
❖ São chamados motores de combustão interna as máquinas térmicas cujo o combustível é
queimado dentro do cilíndo – a fonte quente é gerada dentro do cilíndro.
❖ Motores de carros, motos e similares que operam no Ciclo Diesel e Ciclo Otto
Motor de 4 tempos operando no Ciclo Otto
Vela de ignição
Duto de admissãoDuto de
exaustão
Válvulas
Admissão da mistura de ar + combustível vaporizado (gasolina e álccol)
Compressão da mistura até o ponto morto superior do pistão;
Explosão da mistura pela faisca da vela;
Exaustão dos gases da combustão;
1
2
3
4
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Ciclo termodinâmico do motor de 4 tempos (ciclo padrão de ar Otto)
Compressão adiabática: compressão da mistura de ar e combustível a alta temperatura;
Aquecimento isocórico: fonte térmica (faísca da vela) eleva instantâneamente a pressão dos gases sem que
ocorra o deslocamento do pistão;
Expanssão adiabática: expansão brusca dos gases quentes empurrão o pistão para baixo;
Expanssão isocórica (volume constante): abertura do escapamento provoca rapida baixa de pressão (exaustão dos
gases da combustão)
BC
CD
DA
AB
p
v
D
A
C
B
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Motor de 2 tempos
Mistura de ar e combustível
Bloco
Duto de exaustão
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Motores de Reação
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