Apostila de Física 12 – Leis da Termodinâmica

Apostila de Física 12 – Leis da
Termodinâmica
1.0 Definições
Termodinâmica estuda as relações entre as quantidades de calor trocadas e os
trabalhos realizados num processo físico, envolvendo um/um sistema de corpo(s) e o
resto do Universo (meio exterior).
O trabalho são as trocas energéticas sem influência de diferenças de temperatura.
Quando uma parte do sistema realiza um trabalho sobre outra parte do sistema,
este se chama trabalho interno – Quando as forças de interação entre as moléculas
realizam trabalho interno.
Quando um sistema realiza um trabalho sobre o meio externo, este se chama
trabalho externo – Este é o estudado na Termodinâmica, que se chamará somente de
Trabalho.
2.0 Trabalho numa Transformação
O trabalho „T‟ realizado pelo gás sobre o meio exterior é:
T = p.ΔV
A variação de volume irá determinar o sinal do trabalho, pois a pressão é sempre
positiva.
A pressão é constante.
O trabalho realizado depende também, numa transformação termodinâmica, dos
estados intermediários entre os estados inicial e final.
3.0 Energia Interna
Energia interna „U‟ do sistema é a energia térmica mais a energia potencial de
configuração mais a energia cinética molecular.
Não se mede diretamente a energia interna „U‟ de um sistema.
A variação de energia interna ΔU é determinada pela variação de energia
cinética de translação das moléculas.
A variação de energia interna de um gás ideal só depende dos estados inicial e
final da massa gasosa para qualquer quer sejam as transformações que levam o sistema
do estado inicial ao final.
Lei de Joule para Gases Perfeitos – A energia interna de uma dada quantidade de
um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura.
4.0 Primeira Lei da Termodinâmica
Reafirmação do princípio da conservação da energia.
A variação da energia interna de um sistema é dada pela diferença entre o calor
trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo termodinâmico.
= +∆
5.0 Transformações Gasosas
5.1 Transformação Isotérmica
Há troca de calor.
O calor trocado pelo gás com o meio externo é igual ao trabalho realizado no
mesmo processo.
Temperatura constante – Variação de energia intera é nula.
=
5.2 Transformação Isobárica
A quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado.
Pressão constante.
= +ΔU
5.3 Transformação Isocórica
A variação de energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada com o
meio exterior.
Volume constante – Trabalho realizado é nulo.
= ΔU
5.4 Transformação Adiabática
Um gás sofre transformação adiabática quando não há troca de calor com o meio
exterior (Q = 0).
Quando um gás está contido em um recipiente termicamente isolado do
ambiente.
Quando um gás sofre expansões ou contrações suficientemente rápidas para que
as trocas de calor com o ambiente possam ser consideradas desprezíveis.
A variação de energia interna é igual em módulo e de sinal contrário ao trabalho
realizado na transformação.
O gás pode trocar energia com o ambiente, sob forma de trabalho.
Expansão adiabática:
O trabalho é realizado pelo gás – Equivale a perda de energia por parte do
gás;
A temperatura, pressão e energia interna diminuem;
O trabalho aumenta.
Compressão adiabática:
O trabalho é realizado sobre o gás – O gás está recebendo energia do
exterior;
A temperatura, pressão e energia interna aumentam;
O trabalho diminui.
5.5 Transformação Cíclica
Conversão de calor em trabalho e vice-versa.
No final do ciclo, o gás apresenta a mesma pressão, volume e temperatura
inicial.
Há transformação de calor em trabalho pelo gás ao se completar o ciclo.
Inversão do ciclo: conversão de trabalho em calor (máquinas frigoríficas).
No ciclo, o calor total trocado „Q‟ e o trabalho realizado „T‟ são iguais.
O Trabalho também é igual à área do gráfico.
6.0 Transformações Reversíveis e Irreversíveis
Transformações reversíveis podem se efetuar em ambos os sentidos, de modo
que, na volta, o sistema retorna ao estado inicial, passando pelos mesmos estados
intermediários, sem que ocorram variações definitivas nos corpos – Transformações
puramente mecânicas sem atrito e choques elásticos.
Transformação quase-estática – Quando a transformação é realizada lentamente;
considerada reversível.
Transformação irreversível: Há modificações nos corpos envolvidos.
7.0 Segunda Lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica é possível, mas altamente improvável.
A energia se degrada de uma forma organizada para uma forma desordenada
chamada energia térmica.
O calor não passa espontaneamente de um corpo para outro de temperatura mais
alta.
É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, cujo único efeito seja
retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.
7.1 Máquina Térmica
Conversão de calor em trabalho.
Não é possível retirar o calor de uma única fonte e convertê-lo completamente
em trabalho.
A máquina opera em um ciclo entre duas fontes térmicas, uma quente e outra
fria: retira calor da fonte quente (Q1), converte-o em trabalho (T) e o restante (Q2) é
rejeitado para fonte fria.
Rendimento (n):
As máquinas térmicas geralmente apresentam rendimentos baixos, inferiores a
30%.
7.2 Máquina Frigorífica
Conversão de trabalho em calor.
A máquina opera em um ciclo entre duas fontes térmicas, uma quente e outra
fria: transferem calor da fonte fria (Q2) para a fonte quente (Q1) à custa de um trabalho
externo (T).
Eficiência (e) – Adimensional, não possui unidade:
7.3 Ciclo de Carnot
Carnot idealizou ou ciclo que proporcionaria o rendimento máximo a uma
máquina térmica.
Duas transformações adiabáticas alternadas com duas transformações
isotérmicas, todas elas reversíveis.
Ciclo percorrido no sentido horário: T > 0; T = Área do ciclo.
As quantidades de calor trocadas com as fontes quente e fria da máquina térmica
são proporcionais às respectivas temperaturas das fontes.
O rendimento no ciclo de Carnot é função exclusiva das temperaturas absolutas
das fontes quente e fria, não dependendo da substância “trabalhante” utilizada.
Não é possível alcançar rendimento 100%, pois a temperatura deveria ser o zero
absoluto, que é impossível de se adquirir na prática.
Rendimento máximo de uma máquina térmica:
7.4 Princípio da Degradação da Energia
À medida que o universo diminui, diminui a possibilidade de se conseguir
energia útil ou trabalho de um sistema.
Todas as formas de energia tendem a se converter na energia desordenada de
agitação térmica.
A Segunda Lei da Termodinâmica é considerada como Princípio da Degradação
da Energia.
7.5 Desordem e Entropia
Nos processos naturais, há sempre passagem espontânea de um estado ordenado
para um desordenado.
Em todos os fenômenos naturais, a tendência é uma evolução para um estado de
maior desordem, embora seja possível, porém, improvável, de que ela volte a ser
energia ordenada.
As transformações naturais sempre levam a um aumento de entropia no
universo.
7.5.1 Demônio de Maxwell
James Clerk Maxwell (1831-1879).
Experimento que violaria a Segunda Lei da Termodinâmica – Indica o caráter
estático do Conceito de Entropia proposto por Clausius.
Um ser microscópico inteligente teria a capacidade de, por meio de uma
portinhola entre dois recipientes contendo gás, controlar a passagem de moléculas,
organizando as moléculas rápidas em um recipiente e as lentas no outro.
O ser hipotético (Demônio de Maxwell) estaria, sem gastar energia, ordenando o
sistema e diminuindo sua entropia.