LICEU DE ESTUDOS INTEGRADOS APOSTILA DE FÍSICA

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LICEU DE ESTUDOS INTEGRADOS
Aluno: ........................................................................................... Data: ..........................
Série: 2º ano do ENSINO MÉDIO
Professor: Marcos Antônio
APOSTILA DE FÍSICA
II BIMESTRE
TERMODINÂMICA
É a ciência que estuda as relações entre o calor o trabalho, que ocorrem durante determinados fenômenos (por
exemplo, entre um gás perfeito é o meio externo).
Equivalência calor - trabalho: 1 cal = 4,186 J
1. TRABALHO (Շ)
a)
Trabalho numa transformação Isobárica (p=cte)
O trabalho realizado por um gás, numa transformação isobárica, é dado pelo produto da variação de volume sofrida pelo gás.
h
Շ = P.(V2 - V1)
V1
V2
Շ = P.V  n.R.T
T1
T2
Calor
Expansão: V2 > V1  Շ > 0 (o sistema realiza trabalho sobre o meio)
Compressão: V2 < V1  Շ < 0 (o meio realiza trabalho sobre o gás)
Se V2 = V1  Շ = 0
b) Transformação Qualquer (P = variável)
p
2
Área( A)
1
N
Շ
Gráfico P x V
a
V
c) Transformação Cíclica ou Fechada:
É aquela na qual os estados: final e inicial coincidem (pressão, volume e temperaturas são iguais).
P
P
Շ<0
Շ>0
V
Ciclo no sentido
horário: Շ > 0
V
Ciclo no sentido.
Anti-horário: Շ< 0
“Numa transformação cíclica, o trabalho total é dado pela área interna do gráfico”.
τ cíclo
N
Área int erna
2. ENERGIA INTERNA (U)
A energia interna de um sistema é a somatória de todas as energias dos átomos e moléculas existentes no sistema.
Para gases perfeitos e gases reais monoatômicos a energia interna corresponde à energia cinética de translação
das moléculas e é dada por:
3
3
U  .nRT  .pV
2
2
Onde: n = número de mols do gás;
3
3
U  E C  .nRT  .PV
2
2
R = constante universal dos gases;
T = variação de temperatura absoluta do gás.
LEI DE JOULE
“A energia interna de uma dada quantidade de um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura”.
T > 0  U > 0 (a energia interna do sistema aumenta)
T < 0  U < 0 (a energia interna do sistema diminui)
T = 0  U = 0 (a energia interna do sistema não varia)
Exceção: Nas mudanças de estado.
Propriedade: A energia interna é função de ponto; portanto, a variação da energia interna (U) não depende dos estados
intermediários.
3. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
É o Princípio da conservação da Energia aplicado à Termodinâmica. Seja o sistema:
Calor Q
U
Շ
U = Q - Շ
U = Variação da energia interna do sistema
Q = Energia trocada com o meio exterior na forma de calor
Շ= Energia trocada com o meio exterior na forma de trabalho
Enunciado:
“A variação da energia interna (U) de um sistema é dada pela diferença entre o calor trocado(Q) com o meio externo e o
trabalho () realizado no processo termodinâmico”
Importante!
 Transformação adiabática 
Q=0
→ Não ocorrem trocas de calor entre o sistema e o meio.
→ São muito rápidas.
 Transformação isocórica

 Calor absorvido  Q > 0
Expansão
Շ=0
 Շ>0
Calor cedido
Q<0
Compressão  Շ < 0
Transformações gasosas e a primeira Lei da Termodinâmica
Em Resumo
Transformação
Isobárica
Trabalho
Շ = p. V
Calor
Q = U + Շ
Isotérmica
Շ=Q
U = 0
Isométrica
Շ=0
Q=Շ
Q = U
Adiabática
Շ = - U
Q=0
Cíclica
Շ=Q
Q=Շ
U = - Շ
U = 0
V. E. Interna
U  0
U = Q
Notas:
1ª) Numa compressão adiabática, temos: Շ < 0  Ui < Uf
O gás aquece, tem-se: Aumentos da energia interna, de temperatura, de pressão e diminuição de volume (Շ < 0).
2ª) Numa expansão adiabática, temos: Շ > 0  Ui > Uf
O gás esfria, tem-se: Diminuições da energia interna, de temperatura, de pressão e aumento de volume (Շ> 0).
4. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
A Segunda Lei da Termodinâmica estabelece as condições em que é possível a transformação de calor em trabalho
(tem um caráter estatístico estabelece as probabilidades de ocorrência de um fenômeno)
Enunciados:
1°) Segundo Rudolf Clausius (1822 – 1888), físico e matemático alemão:
“O calor só flui espontaneamente do corpo mais quente - temperatura maior para o corpo mais frio – temperatura
menor”.
2°) Segundo Lord Kelvin (1824 – 1907), físico e matemático britânico e Max Planck ( 1858 – 1947 ) , físico alemão:
“É impossível construir uma máquina térmica, que opere num ciclo termodinâmico, cujo único efeito seja retirar
calor de uma fonte quente e convertê-lo integralmente em trabalho mecânico”.
5. MÁQUINAS TÉRMICAS
São dispositivos que, operando em ciclos, transformam calor em trabalho. A substância operante pode ser vapor d´água,
um gás, um líquido, etc.
Q1
Fonte
quente
T1
1
Շ
T2
Q2
Fonte Fria
1
1
Balanço Energético:
A energia que entra na máquina é igual a energia que sai da máquina (pelo princípio de conservação da energia): Q1 = Շ + Q2,
vem:
Շ = Q 1 - Q2
Rendimento de uma máquina Térmica ():
η
energia..útil
energia.. total
  1
Q2
Q1


Q1
Em que: Q1 e Q2 em módulo
Q1 = calor retirado da fonte quente (energia total);
Q2 = calor rejeitado à fonte fria ( energia perdida );
 = trabalho útil obtido (energia útil – mecânica). Q2 ≠ 0  η  1 ou η  100 %
6. A Potência de uma Máquina Térmica é dada por:
Pot 

T
(Watt, W)
7. REFRIGERADOR (Máquina frigorífica)
Dispositivo que opera em sentido contrário ao de uma máquina térmica, retirando calor (Q2) da fonte fria (congelador)
e cedendo calor (Q1) à fonte quente (meio exterior). Esse trabalho não é espontâneo, recebendo energia de um agente
exterior (compressor); portanto, tal dispositivo não contraria a Segunda Lei da Termodinâmica.
Q1
Fonte
T1
Quente
(trabalho
externo)
T2
Fonte
Q2
Fria
Q2
τ
e
e = número adimensional (não possui unidade); não podendo ser expressa em porcentagem.
Eficiência (e): é expressa pela relação entre a quantidade de calor retirada da fonte fria (Q 2) e o trabalho externo envolvido
nessa transferência ().
8. CICLO DE CARNOT
Em 1824, Carnot idealizou um ciclo reversível (teórico) que proporciona rendimento máximo. O Ciclo de Carnot (fig.
abaixo) é constituído por duas Transformações Adiabáticas (BC e DA) alternadas com duas Transformações
Isotérmicas (AB e CD), todas elas reversíveis, sendo o ciclo também reversível.
p
Adiabáticas
A
Q1
Isotermas
B
T1
D
C
0
Q2
T2
V
Rendimento Máximo:
ηMÁX  1 
T2
T1
CARNOT demonstrou a relação:
Q1
Q2

T1
T2
Rendimento (Máx.): máx < 100 %
T2: temperatura absoluta da fonte fria;
T1: temperatura absoluta da fonte quente.
Conclusões
1ª) O rendimento no ciclo de Carnot é função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quente e Fria, não
dependendo, portanto, da substancia operante utilizada.
2ª) Há ciclos teóricos reversíveis que podem ter rendimento igual ao do Ciclo de Carnot, mas nunca maior. Mesmo assim, não
alcança 100 % ( = 1), pois isso exigiria uma fonte fria no zero absoluto (T2 = 0) e, em conseqüência, teríamos a completa
conversão de calor da fonte quente em trabalho ( = Q), o que contraria a Segunda Lei da Termodinâmica.
9. Princípio da degradação da energia - uma variação da 2ª Lei da Termodinâmica
A energia utilizável diminui à medida que o universo evolui.
Outras formas de
energia ordenadas
(mecânica, elétrica,
química)
Conversão não integral,
baixo rendimento.
Convertem-se
Integralmente
(100 %)
Energia
desordenada
de agitação
térmica
ENTROPIA (desordem)
É uma propriedade intrínseca dos sistemas, caracterizada pelo fato de seu valor aumentar quando aumenta a desordem
nos processos naturais.
Em todos os fenômenos naturais, a tendência é uma evolução para um
estado da maior desordem (maior entropia). As transformações naturais
sempre levam a um aumento na entropia do Universo.
De acordo com Clausius, a variação de entropia S de um sistema, quando uma quantidade de calor Q lhe é
fornecida num processo isotérmico reversível, à temperatura T, é dada:
Função de Estado,
medida em J/K
S 
Q
T
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