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TERMODINÂMICA
Termodinâmica é a
ciência que trata
• do calor e do trabalho
• das características dos
sistemas e
• das propriedades dos
fluidos termodinâmicos
Alguns ilustres pesquisadores
que construíram a termodinâmica
James Joule
1818 - 1889
Sadi Carnot
1796 - 1832
Emile Claupeyron
1799 - 1864
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Rudolf Clausius
1822 - 1888
Contribuição de James Joule.
1839
Experimentos:
trabalho mecânico, eletricidade e calor.
James P. Joule
(1818-1889)
Nasceu em
Salford - Inglaterra
1840
Efeito Joule : Pot = RI2
1843
Equivalente mecânico do calor
( 1 cal = 4,18 J)
1852
Efeito Joule-Thomson : decréscimo
Lei da
Conservação
de
Energia
da temperatura de um gás em função da
expansão sem realização de trabalho
externo.
As contribuições de Joule e
outros levaram ao
1a Lei
surgimento de uma nova
da
disciplina:
Termodinâmica
a Termodinâmica
Para entender melhor a
1a Lei de Termodinâmica
é preciso compreender as
características dos sistemas
termodinâmicos e os caminhos
“percorridos” pelo calor...
Sistema Termodinâmico
Certa massa
delimitada por
uma fronteira.
Vizinhança do sistema.
O que fica fora da
fronteira
Sistema isolado
Sistema fechado
Sistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Sistema que não troca massa com a
vizinhança, mas permite passagem
de calor e trabalho por sua fronteira.
Transformação
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado
P1
V1
T1
U1
Estado 1
P2
V2
T2
U2
Transformação
Estado 2
Processos
Processos
Durante a transformação
Isotérmico
temperatura constante
Isobárico
pressão constante
Isovolumétrico
volume constante
Adiabático
É nula a troca de calor com a vizinhança.
Transformações
1a Lei da Termodinâmica
Sistema Fechado
τ
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
ΔU = U2 – U1
Variação Energia Interna
1a Lei
Q = τ + ΔU
Variação da Energia Interna
∆U = Q -
τ
Gás
Expansão nula
τ=0
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 0 → ΔU < 0
ΔU depende apenas
de ΔT.
Como U é uma
variável de
estado, ΔU não
depende do
processo.
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.
τ
Q=
τ + ∆U
τ = p . ∆V
depende de
como a
pressão e
volume
mudam no
processo.
∆V = V2 -V1
Processo isobárico
τ
Transformação a
pressão constante
1ª Lei da Termodinâmica
U = Q -
τ
Processo isovolumétrico
Transformação a
volume constante
∆V = 0
τ =0
1ª Lei da Termodinâmica
U = Q
Processo Isotérmico
Transformação a
temperatura constante
τ
∆U = 0 → ∆T=0
1ª Lei da Termodinâmica
Q=
τ
Processo adiabático
O processo ocorre tão
rapidamente que o
sistema não troca calor
com o exterior.
τ
Q=0
1ª Lei da Termodinâmica
U = -
τ
Máquinas Térmicas
“Trabalham” em ciclos.
A máquina de Denis Papin
1647 - 1712
Trabalho
Para onde a
máquina rejeita
calor QCold
Fonte quente
Fonte fria
De onde a
máquina retira
calor QHot.
Ciclo
Eficiência térmica: 1ªLei
Em cada ciclo
τ
τ = 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 a
atmosfera, para novamente repetir o
processo.
1) ADMISSÃO
A válvula de
admissão se abre, a
mistura de
ar+combustível
entra no cilindro
enquanto o pistão
(ou êmbolo) desce.
3) EXPLOSÃO
A 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.
2) COMPRESSÃO
A 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.
4) DESCARGA
(OU EXAUSTÃO)
A válvula de
descarga se abre
enquanto o pistão
sobe empurrando
o gás queimado
(fumaça) para
fora do cilindro.
A máquina ideal de Carnot
O rendimento da Máquina de Carnot
Ciclo reversível
No ciclo:
∆U=0 →
BC e DA = adiabáticas
τ =Q
η = τ/Q1 = [Q1-Q2]/Q1
1
- Q2
= 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
η
= (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
η
= 1 - T2/T1
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"
Transformações
máquinas térmicas - Diagrama PV