Aula de Termodinâmica
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Termodinâmica é a ciência que trata • do calor e do trabalho • das características dos sistemas e • das propriedades dos fluidos termodinâmicos Termodinâmica 1. Sistema - porção definida do espaço. Ex. uma solução, uma célula, um cilindro de gás, um corpo... Termodinâmica 2. Entorno - tudo que envolve o sistema. Não tem limite. É o ambiente Os sistemas podem variar de volume, temperatura e energia. Abertos/fechados. Termodinâmica Os sistemas possuem dois tipos de energia: Energia Interna... Potencial – é a composição química Cinética – é o conteúdo de calor Termodinâmica Os sistemas possuem dois tipos de energia: Energia Externa... Potencial – é dependente da altura do sistema no Campo G. Cinética – é dependente da velocidade de deslocamento do sistema no espaço. Termodinâmica Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela estar no alto (energia potencial externa), como ser lançada (energia cinética externa), que sua energia interna é a mesma até o momento da explosão (a potencial, pelo menos). Termodinâmica Ec EXT Altura Ep + Ec INT Ep EXT Distância Termodinâmica Se um macaco come uma banana, no alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou parado, ele só aproveita a energia interna da m banana. Se ele come a banana com casca faz alguma diferença? Termodinâmica Menos Energia Mais Energia Prof º Ms. Clóvis Piáu HENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005. Termodinâmica A Energia Interna de um sistema pode ou não depender de Massa do sistema, pelo menos macroscopicamente. Com isso, classifica-se Propriedades extensivas Propriedade intensivas Termodinâmica Propriedade intensivas (independem da massa). 1. pressão 2. temperatura 3. voltagem 4. viscosidade Termodinâmica Propriedade extensiva (dependem da massa) 1. volume 2. quantidade de matéria 3. densidade 4. quantidade de energia Termodinâmica 1ª Lei: Descreve a conservação da energia. Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra. Prof º Ms. Clóvis Piáu HENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005. Termodinâmica 1ª Lei: Toda transformação de energia acompanha de energia térmica. se Qualquer forma de energia ou trabalho, pode ser totalmente convertida em calor. Termodinâmica 1ª Lei: A energia do Universo é constante. O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho. •A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se. A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE U q w Alguns ilustres pesquisadores que construiram 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 : decrescimo 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 surgimento de uma nova disciplina: a Termodinâmica 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... Sistema Termodinâmico Certa massa delimitada por uma fronteira. Sistema Aberto Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema fechado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança. Transformação Variáveis de estado Variáveis de estado P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Estado 1 Transformação Estado 2 Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . P1 V1 T1 U1 Processos P2 V2 T2 U2 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 W > 0 → sistema realiza trabalho W < 0 → sistema sofre trabalho Q > 0 → sistema recebe calor Q < 0 → sistema perde calor ΔU = U2 – U1 1a Lei Variação Energia Interna Q = W + ΔU Variação da Energia Interna Q = W + ∆U Gás Expansão nula W=0 ΔU=Q 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. O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo? ∆U = Q - W W = F.d .W F = Pr.S W = Pr.S.d ∆V = V2 -V1 W = Pr.ΔV depende de como a pressão e volume mudam no processo. Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 P1 Como as variáveis de estado se relacionam? 1 T1 V1 Equação de estado no de moles P1V1 = nRT1 Constante dos gases R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K Processo isovolumétrico Transformação a volume constante Q = m CV (T2-T1) Calor específico a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica Transformação de 1 → 2 Q = W + U W=0 U = Q ∆V = 0 Volume invariável Isovolumétrica Processo isobárico Transformação a pressão constante calor específico a pressão constante Q = + m CP (TB - TA) W = Po [VB-VA] 1ª Lei da Termodinâmica Q = W + U Processo Isotérmico Transformação à temperatura constante Êmbolo movimentado lentamente ∆U = 0 → ∆T=0 Q=W+0 Q=W Processo adiabático Transformação sem troca de calor Movimento rápido do êmbolo. Q=0 Q=0 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Primeira Lei da Termodinâmica Q = W + ∆U Q = 0 → ∆U= - W W = - ∆U Compressão adiabática W Área sob o grafico Trabalho transforma-se em calor Processos cíclicos 1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial 2.- Qciclo = Q 3.- Wciclo = W = área 12341 1a Lei da Termodinâmica Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo Qciclo = Wciclo Wciclo > 0 → Qciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama PV : horário. O sistema recebe Q e entrega W 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 ∆U = 0 W = Q1-Q2 Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1 ε = [1 – Q2/Q1] Ciclo Refrigerador Refrigerador 12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ? ε = [1 – Q2/Q1] Q1 → 0 ε→1 É possível construir esta máquina? ε → 100% A máquina ideal de Carnot Ciclo reversível A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: ∆U=0 → W = Q1 - Q2 ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1 Q2/Q1 = T2/T1 BC e DA = adiabáticas ε = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1) ε = 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"
