Lei Zero da Termodinâmica

Termodinâmica
 A Termodinâmica
é o ramo da Física que estuda
as causas e os efeitos de mudanças na
temperatura, pressão e volume em sistemas físicos
em escala macroscópica.
 Calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se
relaciona com “movimento". Por isso, em essência,
a Termodinâmica estuda o movimento da energia e
como a energia cria movimento.
 Denominamos
estado de equilíbrio de um
sistema quando as variáveis macroscópicas
pressão (p), volume (V), e temperatura (T), não
variam. O estado de equilíbrio é dinâmico no
sentido de que os constituintes do sistema se
movem continuamente. O estado do sistema é
representado por um ponto em um diagrama (p
– V). Podemos levar o sistema desde um
estado inicial a outro final através de uma
sucessão de estados de equilíbrio.
Se denomina equação de estado a relação
que existe entre as variáveis P, V, e T. A
equação de estado mais simples é a de um
gás ideal, onde n representa o número de
moléculas, e R a constante dos gases.
Se denomina energia interna do sistema a
soma das energias de todas as suas
partículas. Em um gás ideal as moléculas
somente tem energia cinética, os choques
entre as moléculas são supostos
perfeitamente elásticos, a energia interna
somente depende da temperatura..
Considerações Históricas:
 Projetos
posteriores incluíram uma válvula de alívio
para o vapor, evitando que o recipiente explodisse
devido à alta pressão. Observando o movimento
rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo,
Papin concebeu a idéia de uma máquina
constituída de um pistão e um cilindro.Mas Papin
não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em
1697, baseado nas idéias de Papin, que o
engenheiro Thomas Savery construiu a primeira
máquina a vapor.

Consideremos dois blocos de cobre, um quente e outro frio, cada um
dos blocos está em contato com um termômetro de mercúrio.
Colocando os dois blocos em contato térmico vemos variações nas
propriedades do corpo, como a resistência elétrica que decresce com
o tempo no bloco quente, e cresce com o tempo no bloco frio,
notamos que após certo período essa variação não é mais observada,
ficando assim em equilíbrio. Da mesma forma, colocando os dois
blocos em contato térmico, o comprimento de um dos lados do
bloco quente diminui com o tempo e o comprimento de um dos
lados do bloco frio aumenta com o tempo, até que após certo
momento eles permanecem constantes, pois entram em equilíbrio.
Vemos que a coluna de mercúrio de um termômetro posto no corpo
quente irá diminuir com o tempo e a coluna de mercúrio de um
termômetro posto no corpo frio irá aumentar com o tempo, até que
após certo momento irá permanecer constante, pois atingem o
equilíbrio.


Quando todas essas propriedades mensuráveis
atingirem o equilíbrio, podemos dizer que os dois
corpos em contato estão com a mesma temperatura. A
temperatura é a medida do movimento aleatório das
moléculas do sistema.Este sistema descrito é isolado,
portanto não efetua trocas terminas com o meio
externo de forma que se houver qualquer mudança de
temperatura a troca de calor é feita entre os dois
blocos do sistema.
Após mensurarmos os dois blocos acima
individualmente com um termômetro de mercúrio,
notamos que o nível da coluna de mercúrio marca a
mesma temperatura para os dois corpos. Assim
podemos dizer que os dois blocos estão em equilíbrio
térmico com o termômetro citado. Dessa forma
enunciamos a lei zero da termodinâmica da seguinte
forma:

“quando dois corpos têm igualdade de
temperatura com um terceiro corpo, eles
terão igualdade de temperatura entre si”.
Está lei é bastante obvia e muito simples de
observar no dia-a-dia, ela recebo este nome
por anteceder a primeira e a segunda lei da
termodinâmica.
A importância dessa lei é o fato dela ser a
base para a medição de temperatura, pois
quando colocamos um termômetro em um
corpo podemos dizer que sua temperatura é
a indicado no termômetro, já que eles estão
em equilíbrio térmico.




O equilíbrio térmico entre corpos materiais só é
atingido quando os mesmos se encontram na mesma
temperatura. Dessa definição pode ser concluída a Lei
Zero da Termodinâmica:
Se três sistemas apresentam-se isolados de qualquer
outro universo externo, e, dois sistemas consecutivos
estiverem em equilíbrio térmico com o terceiro, então
os dois sistemas consecutivos estarão em equilíbrio
térmico entre si.
Para que seja perfeitamente compreendido o conceito
da Lei Zero da Termodinâmica, devem ser esclarecidas
as definições de: sistemas termodinâmicos (abertos,
fechados e isolados), sistema limitado e vizinhança.
Um sistema termodinâmico encontra-se aberto quando
consegue trocar matéria (massa) e energia (calor e
trabalho) com o meio; encontra-se fechado quando
apenas pode trocar energia, uma vez que o trânsito de
matéria é impedido por alguma obstrução; e, por fim,
um sistema Termodinâmico é isolado (adiabático)
quando não troca matéria e nem energia com o meio.


Valendo-se da Lei Zero da Termodinâmica,
muitos cientistas tentaram construir aparelhos
que revelassem a temperatura de algum corpo.
Mas, como a Lei Zero poderia auxiliá-los?
Imagine o seguinte, baseando-se num
termômetro de mercúrio e em um experimento
de medida de temperatura da água em algum
recipiente: o sistema é composto pela água
contida no recipiente, pelo material no qual o
termômetro é construído e pelo mercúrio
(material indicador).

Após algum tempo, mantendo-se o
mercúrio em contado com a água, o
mercúrio dilata ou contrai e indica a
temperatura da água a cada instante. Ou
seja, o recipiente está em equilíbrio térmico
com a água, que está em equilíbrio térmico
com o material no qual o termômetro é feito
(geralmente vidro). E, como o mercúrio está
em equilíbrio com o vidro, segundo a Lei
Zero, também está em equilíbrio térmico
com a água, e assim demonstra a sua
temperatura.





Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de
energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o
comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação
termodinâmica.
Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da
termodinâmica:
Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas
armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho,
ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma
quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a
energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando
matematicamente:
Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).
Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para
cada uma das grandezas apresentadas:







Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior
aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois
trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas.
Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da
Termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck:
Enunciado de Clausius:
O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de
temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.
Tendo como conseqüência que o sentido natural do fluxo de calor é da
temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja
inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre
este sistema. Enunciado de Kelvin-Planck:
É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo
termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em
trabalho.
Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico
tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre
há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho
efetivo.



Maquinas térmicas
As máquinas térmicas foram os primeiros
dispositivos mecânicos a serem utilizados em
larga escala na indústria, por volta do século XVIII.
Na forma mais primitiva, era usado o
aquecimento para transformar água em vapor,
capaz de movimentar um pistão, que por sua vez,
movimentava um eixo que tornava a energia
mecânica utilizável para as indústrias da época.
Chamamos máquina térmica o dispositivo que,
utilizando duas fontes térmicas, faz com que a
energia térmica se converta em energia mecânica
(trabalho).




A fonte térmica fornece uma quantidade de calor
que no dispositivo transforma-se em trabalho
mais uma quantidade de calor que não é capaz
de ser utilizado como trabalho .
Assim é válido que:
Utiliza-se o valor absolutos das quantidade de
calor pois, em uma máquina que tem como
objetivo o resfriamento, por exemplo, estes valores
serão negativos.
Neste caso, o fluxo de calor acontece da
temperatura menor para o a maior. Mas conforme
a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não
acontece espontaneamente, logo é necessário que
haja um trabalho externo, assim:







Rendimento das máquinas térmicas
Podemos chamar de rendimento de uma máquina
a relação entre a energia utilizada como forma de
trabalho e a energia fornecida:
Considerando:
=rendimento;
= trabalho convertido através da energia térmica
fornecida;
=quantidade de calor fornecida pela fonte de
aquecimento;
=quantidade de calor não transformada em
trabalho.
Mas como constatado:
logo, podemos expressar o rendimento como:

O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina
não realizar nenhum trabalho, e o máximo 1, se fosse
possível que a máquina transformasse todo o calor
recebido em trabalho, mas como visto, isto não é
possível. Para sabermos este rendimento em
percentual, multiplica-se o resultado obtido por
100%.



Exemplo:
Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ
quando lhe é fornecido uma quantidade de calor
igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o
motor tem de transformar energia térmica em
trabalho?
calor
Trabalho
Energia Interna
Recebe
Realiza
Aumenta
>0
Cede
Recebe
Diminui
<0
Troca
Não realiza e
nem recebe
Não varia
=0
Exemplo:
Q/ /ΔU
(1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás
realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia
interna do sistema antes de receber calor era U=100J,
qual será esta energia após o recebimento?
Q/ /ΔU
50=12+(U-100)
50=12-100+U
U=138J



O calor é a nomenclatura atribuída à energia sendo
transferida de um sistema a outro exclusivamente
em virtude da diferença de temperaturas entre
eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui
mais calor que outro, e tão pouco é correto afirmar
que um corpo possui calor; os corpos (ou sistemas)
possuem energia interna e o conceito de energia
interna não deve jamais ser confundido com o
conceito de calor.
O calor é geralmente simbolizado pela letra Q na
física.
A unidade do Sistema Internacional (SI) para o calor
é o joule (J), embora seja usualmente utilizada a
caloria (cal; 1 cal = 4,18 J).
Tipos de calor:

Provoca apenas a variação da temperatura do
corpo. A quantidade de calor sensível (Q) que
um corpo de massa (m) recebe é diretamente
proporcional ao seu aumento de temperatura.
Logo, é possível calcular a quantidade de
calor sensível usando a seguinte fórmula:



Q = m . c . ∆t
Q = 3800 cal
∆t = 25ºC – 110ºC
c = 0,42 cal/gºC
m = ??
3800 = m . 0,42 . 85
3800 = 35,7m
35,7m = 3800
m = 3800/35,7
m = 106,4 g


Provoca algum tipo de alteração na estrutura
física do corpo. É a quantidade de calor que a
substância troca por grama de massa durante
a mudança de estado físico. É representado
pela letra L. É medido em caloria por grama
(cal/g).
Para calcular o calor latente é necessário
utilizar a seguinte expressão:



Q=m.l
Q = 2400 cal
m = 300 g
l = ??
2400 = 300 . L
300l = 2400
l = 2400/300
l = 80 cal/g


é uma grandeza física que define a variação
térmica de determinada substância ao receber
determinada quantidade de calor. Também é
chamado de capacidade térmica mássica. É
constante para cada substância em cada estado
físico. Pode-se dizer que o calor específico
caracteriza uma substância (em determinado
estado físico).
A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilogramas
por Kelvin). Uma outra unidade mais usual para
calor específico é cal/(g.°C) (caloria por grama
por grau Celsius).

Ocorre em sólidos e depende do coeficiente de
condutividade térmica; não é difícil perceber que
plásticos e madeira não conduzem tão bem o
calor quanto outros materiais como os metais,
por exemplo. Fatores que implicam na maior ou
menor condutividade térmica: as características
físico-químicas, a espessura do material, a área
de contato entre materiais, o tempo que o
material fica em contato com o outro e,
logicamente, a diferença de temperatura entre as
extremidades do material condutor..

Irradiação térmica ou radiação térmica é a radiação
eletromagnética emitida por um corpo em equilíbrio
térmico causada pela temperatura do mesmo. A irradiação
térmica é uma forma de transmissão de calor. Ou seja, um
segundo corpo pode absorver as ondas caloríficas que se
propagam pelo espaço em forma de energia
eletromagnética aumentando assim sua temperatura, pois
os dois corpos têm entre si um intercâmbio de energia. A
maior parte da irradiação ocorre ao redor de um
comprimento de onda específico, chamado de
comprimento de onda principal de irradiação, que
depende da temperatura do corpo. Quanto maior a
temperatura, maior é a frequência da radiação e menor é o
comprimento de onda. Em outras palavras, objetos com
temperaturas altas produzem uma luz mais "azul",
enquanto objetos com temperaturas não tão altas podem
produzir uma luz mais "vermelha".

Explicada pelo movimento de fluxos ascendentes e
descentes em fluídos (líquidos e gases), elevando
massas aquecidas e rebaixando massas resfriadas
destes mesmos fluídos; essa elevação se dá pelo fato
de que o fluído mais aquecido é menos denso que o
mesmo fluído resfriado, ou seja, possui menos massa
(kg) ocupando um certo volume (litro, m³, ...). Por
este motivo, quando se instala um ar condicionado
refrigerador em uma residência o equipamento é
colocado na parte superior da parede. Com isso, a
massa de ar "frio" circula pelo ambiente até as
regiões mais próximas do chão, climatizando o
ambiente de forma mais eficaz do que se fosse
instalado junto ao chão (nossos pés ficariam gelados
e o resto do ambiente estaria quente!!!).

Grandeza física que determina a variação na
quantidade de energia térmica em um corpo,
ou seja, determina a energia térmica que
transitou para outro corpo ou que mudou de
natureza. A unidade do SIU para quantidade
de calor é o J (Joulle), mas é comum usar cal
(Caloria) ou Cal (Caloria lateral).


É possível calcular o calor específico de uma
substância (c) a partir da capacidade térmica de
um corpo composto por ela (C) e da massa
desse corpo (M).
Também é possível determinar o calor
específico de uma substância a partir da
quantidade de calor cedida a um corpo dessa
substância (Qc), da massa desse corpo, e da
variação térmica (∆T) que ele sofre (temperatura
final - temperatura inicial).

Também é possível calcular a quantidade de
calor a partir da massa da substância que
sofre variação térmica (m), do calor específico
dela (c) e da variação térmica que o corpo
sofre (t).




Transformação isobárica é uma transformação
termodinâmica na qual a pressão permanece
constante.
Quando um gás perfeito evolui isobaricamente de
um estado A para um estado B, a temperatura e o
volume evoluem conforme a lei de Charles:
onde e representam a temperatura e o volume do
estado A e representam a temperatura e o volume
do estado B.
A lei de Charles é um caso particular da lei dos
gases perfeitos.


Transformação isocórica é uma transformação
termodinâmica que preserva o volume. O termo
deriva da língua grega, ISO, "igual" e Khora,
"lugar".
Quando um gás sofre uma transformação
isocórica, levando-o de um estado A para um
estado B, a temperatura e a pressão evoluem
conforme a Lei de Gay-Lussac:
Onde PA e Ta representam a
temperatura e a pressão do estado A e Tb
e PB representam a temperatura e a
pressão do estado B.


Uma transformação isotérmica é uma
transformação termodinâmica na qual a
temperatura é mantida constante.
Quando um gás perfeito evolui isotermicamente
de um estado A até um estado B, a pressão e o
volume variam conforme a Lei de BoyleMariotte:
Onde Pa e Va representam a pressão
e o volume do estado A e e
representam a pressão e o volume do
estado B.



Transformação adiabática é um processo de transformação
termodinâmica na qual não há trocas de calor com o ambiente,
apesar de haver variação térmica. A energia interna se
transforma em trabalho diretamente (ΔU =Q - W, Q=0 Logo
ΔU= -W) . Com a perda de energia interna, há diminuição da
temperatura e realização de trabalho (aumento de volume).
Com o ganho de energia interna, há aumento de temperatura e
sofrimento de trabalho (diminuição de volume). É o processo
básico do Ciclo de Brayton, que explica o funcionamento da
turbina a gás. A equação que pode ser utilizada no estudo
básico de transformações adiabáticas é a Lei de Laplace
Poisson: p.v^γ = p'.v'^γ, onde γ= Cp/Cv (coeficiente de
Poisson), tendo Cp como calor específico a pressão constante e
Cv como calor específico a volume constante.
"O calor específico a pressão constante Cp é empregado em
processos que realizam trabalho.
"O calor específico a volume constante Cv é adotado quando
não existem troca de trabalho entre o sistema e a vizinhança.
Fórmulas de conversão de temperatura Celsius
Conversão de
para
Fórmula
grau Celsius
grau Fahrenheit
°F = °C × 1,8 + 32
grau Fahrenheit
grau Celsius
°C = (°F − 32) / 1,8
grau Celsius
kelvin
K = °C + 273,15
kelvin
grau Celsius
°C = K − 273,15
grau celsius
rankine
°R = (°C + 273,15) ×
1,8
rankine
grau celsius
°C = (°R ÷ 1,8) –
273,15

Como passar 30ºC para ºF ?
Fórmula que usamos: °F = °C × 1,8 + 32
Resolução:
ºF= 30 ºC x 1,8 +32
ºF= 54+32
ºF= 86


Material Necessários:
Dois recipientes de plástico pequenos, 1/2
xícara de água, 1/2 xícara de areia ou terra,
um termômetro.
Procedimento:
Coloque a água em um recipiente e a areia
em outro.





Deixe os dois na geladeira até esfriar.
Depois leve os dois recipientes para o sol por 15
minutos.
Meça, com o termômetro, a temperatura de cada um
deles.
O que acontece?
A temperatura da areia fica maior que a temperatura da
água.
Por que acontece?
Porque o calor específico da água é maior que o da
areia. Isso explica porque, pela manhã, em regiões
litorâneas a areia está mais quente que a água, pois a
água necessita de maior quantidade de calor para sofrer
a mesma variação de temperatura.
Brislainy, Juliana, Leonardo,
Maria Isabel, Rayla e Thamara.
Turma : 2011-063