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.