convecção mais
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A transferência de energia necessária para a mudança de fase de uma dada substância de massa m de uma substância pura é Q mL L - calor latente da substância depende da natureza da mudança de fase e da substância O calor latente de fusão é a energia necessária para romper todas as ligações intermoleculares num quilograma de uma substância de maneira a converter a fase sólida em fase líquida. fusão ou congelamento calor de fusão Lf O calor latente de vaporização é a energia que deve ser adicionada a um quilograma da fase líquida de uma substância para romper todas as ligações de maneira a formar um gás evaporação ou condensação calor de evaporação Lv 1 A Tabela mostra os calores latentes de diferentes substâncias O calor latente de evaporação para uma dada substância é geralmente muito maior do que o calor latente de fusão 2 • Na mudança da fase sólida para a fase líquida, as ligações entre as moléculas são transformadas em ligações mais fracas • Na mudança da fase líquida para a fase gasosa, as ligações são rompidas, criando uma situação na qual as moléculas de gás não têm essencialmente ligação alguma entre si 3 Temperatura versus energia fornecida, quando 1 g de gelo inicialmente a – 30.0 C é convertido em vapor a 120.0 C. 4 2.4 Trabalho e Calor em Processos Termodinâmicos Variáveis de estado – pressão, volume, temperatura e energia interna O estado macroscópico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistema estiver em equilíbrio térmico interno Variáveis de transferência – trabalho e calor Essas variáveis só têm valor diferente de zero se ocorrer um processo no qual a energia é transferida através da fronteira do sistema 5 • Trabalho realizado por um sistema deformável – o gás O gás ocupa um volume V e exerce uma pressão P nas paredes do cilindro e no pistão O gás é expandido quasi-estaticamente, isto é, devagar o suficiente para permitir que o sistema se mantenha em equilíbrio térmico em todos os instantes dW F dr Fj dyj Fdy PAdy porque P F A dW PdV 6 Compressão do gás Expansão do gás O trabalho realizado pelo gás é positivo O trabalho realizado pelo gás é negativo O trabalho total realizado pelo gás à medida que o seu volume se altera de Vi para Vf é dado por W é a área sob a curva Vf W PdV Vi O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica – um diagrama PV W 7 O trabalho realizado pelo gás depende da trajectória seguida entre os estados inicial e final W2 W3 W1 W1 Pf V f Vi W2 Pi V f Vi Vf W3 PdV Vi Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V) W1 W3 W2 8 • Calor em processos termodinâmicos De maneira semelhante, também se descobre que a energia transferida pelo calor para dentro ou para fora do gás depende do processo pelo qual é transferido Comparemos dois processos onde o gás tem o mesmo V, T e P iniciais e é considerado ideal : a) Um gás à temperatura Ti se expande lentamente absorvendo energia de um reservatório à mesma temperatura Um reservatório de energia é uma fonte de energia interna que é considerada tão grande que uma transferência finita de energia do reservatório não altera a sua temperatura. 9 b) Um gás expande rapidamente numa região onde se fez vácuo depois que uma membrana é rompida Portanto concluímos que a transferência de energia pelo calor, assim como o trabalho realizado, depende do processo seguido entre os estados inicial e final do sistema 10 2.5 Primeiro Princípio da Termodinâmica Caso especial do princípio da conservação de energia: a única variação na energia dum sistema é a variação na sua energia interna U, e os únicos mecanismos de transferência de energia são o calor Q e o trabalho W Primeiro princípio da termodinâmica U Q W Q é a energia transferida para o gás W é o trabalho realizado pelo gás Significa que a variação da energia interna de um sistema, U é igual à soma da energia transferida através da fronteira do sistema pelo calor e a energia transferida pelo trabalho Quando um sistema é submetido a uma mudança infinitesimal em seu estado, tal que uma pequena quantidade de energia dQ transferida pelo calor e uma pequena quantidade de trabalho dW realizado pelo sistema, a energia interna também varia de uma quantidade pequena dU U dQ dW 11 2.6 Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica Processos termodinâmicos: adiabático, isométrico (ou isocórico), isotérmico e o cíclico Processo adiabático Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, de maneira que a transferência de energia pelo calor não existe Q=0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U Q W 0 W U W O trabalho realizado pelo gás é negativo, representando a transferência de energia para dentro do sistema, de maneira que a energia interna aumenta. E quando o gás se expande adiabaticamente, U é negativo A expansão livre é um processo adiabático único, em que nenhum trabalho é realizado sobre o gás. Como Q=0 e W=0 obtemos . U 0 U f U i 0 U f U i Não há variação na temperatura 12 durante uma expansão livre adiabática Processo isobárico Processo que ocorre a uma pressão constante W PV f Vi Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U Q W Processo isométrico (ou isocórico) No processo isométrico, o volume é constante e é criado segurando-se o pistão de maneira que ele não se mova W=0 Aplicando o primeiro termodinâmica U Q W Q 0 princípio da U Q Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema 13 Processo isotérmico Isoterma Num processo isotérmico a temperatura é constante U 0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U Q W 0 Q W W Q A energia que entra no gás por meio do trabalho sai do gás por meio do calor, de modo que a energia interna permanece fixa PV nRT P Vf nRT V Vf Vf nRT 1 W PdV dV nRT dV nRT ln V V V V V V i i nRT ln V f ln Vi Vf Vi i ou Vf W nRT ln Vi 14 Processo cíclico O sistema não isolado começa e termina no mesmo estado U 0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U Q W 0 Q W Q W A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinas térmicas 15 2.7 Mecanismos de Transferência de Energia em Processos Térmicos Condução Em escala atómica há uma troca de energia cinética entre moléculas, na qual as moléculas menos energéticas ganham energia colidindo com moléculas mais energéticas - Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno de suas posições de equilíbrio - À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chama começam a vibrar com amplitudes cada vez maiores - Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação de temperatura do metal A taxa de condução depende das propriedades da substância 16 Considere um bloco cujo material tem espessura x e uma secção de área A, cujas faces opostas têm temperaturas T1 e T2, onde T2> T1 Taxa de transferência de energia pelo calor T2 T2 T1 T1 H Q / t (Watts) H é a potência Q T H A t x Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura dT, podemos escrever a lei da condução como dT H kA dx k é chamada de condutividade térmica do material dT / dx é o gradiente de temperatura (variação da temperatura com a posição) 17 Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa e uniforme e de comprimento L T2 T1 Está isolada de modo que a energia não possa escapar pelo calor a partir da sua superfície excepto nas extremidades, que estão em contacto térmico com reservatórios que têm temperaturas T1 e T2 No estado estacionário a temperatura em cada ponto ao longo da barra é constante no tempo dT T2 T1 dx L A taxa de transferência de energia pelo calor será H kA T2 T1 L k é a condutividade térmica 18 A Tabela mostra a condutividade térmica de diferentes substâncias 19 Convecção A energia é transferida pelo movimento de um fluido Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver a água À medida que a água é aquecida numa panela, as camadas inferiores são aquecidas primeiras. Essas regiões se expandem e sobem porque tem uma densidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, a água mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aí pode ser aquecida. O mesmo processo ocorre numa sala aquecida por um aquecedor 20
