Classificação em Metais e Não-Metais

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TERMODINÂMICA
Radiação Solar
1
Anjo Albuquerque
TERMODINÂMICA
•A Termodinâmica é a área da Física que nos permite
compreender o mundo que nos rodeia, desde a escala dos
átomos até à escala do universo;
•As suas leis regem a evolução do universo;
•Têm sempre presente a Lei da Conservação da Energia;
•A aplicação da Lei da Conservação da Energia aos processos
nos quais há uma transferência de energia, como calor e/ou
como trabalho, é conhecida por 1ª Lei da Termodinâmica.
2
Anjo Albuquerque
TERMODINÂMICA
•Na maioria dos sistemas que interessam à termodinâmica não há
macroscopicamente variação de energia cinética nem de energia potencial.
•Há transformações de energia que se podem traduzir apenas POR
VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DOS SISTEMAS
∆Eint = W + Q + R
1ª Lei da Termodinâmica
OU LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Relaciona as energias que transitam do sistema para o exterior, ou
vice-versa e a consequente variação de energia interna.
3
Anjo Albuquerque
4
TERMODINÂMICA
A energia interna de um sistema
isolado é uma constante pelo que
a
∆Eint = 0
Sistema isolado
A energia interna de um sistema
não isolado não é uma constante
pelo que a
∆Eint = W + Q + R
Ao escrevemos a 1ª Lei estamos a admitir
uma convenção de sinais:
Quando entra energia no sistema seja sob
a forma de W, Q ou R estes são positivos
pois fazem aumentar a ∆Eint>0.
Quando sai energia do sistema, então Q,
W ou R são negativos e ∆Eint<0.
Sistema não isolado
5
Anjo Albuquerque
TERMODINÂMICA
Considere um recipiente fechado contendo um gás, dentro de uma estufa. O gás recebe
energia, como calor, da sua vizinhança e como consequência aumenta a sua temperatura e
portanto a sua energia interna.
∆Eint = Q
Q>0
Sistema
∆ Eint > 0
Considere um cilindro com um pistão, isolado termicamente. Considere a pressão do gás inferior
à pressão exterior. Como consequência do deslocamento do pistão o gás comprime-se. É assim
realizado trabalho pelas forças de pressão sobre o sistema ocorrendo uma transferência de
energia da vizinha para o sistema.
∆Eint = W
W>0
Sistema
∆ Eint > 0
6
Anjo Albuquerque
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
pusculos
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
Considere o sistema
constituído por um
recipiente com água.
Neste caso, não há realização
de trabalho sobre o sistema:
W=0
∆Eint = Q
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
Um jovem pretende “furar”
uma parede utilizando um
berbequim.
Neste caso, há realização de
trabalho sobre o sistema:
W>0.
O berbequim e a parede aquecem,
havendo uma certa elevação da
temperatura desse sistema.
Ocorre transferência de energia,
como calor, para a vizinhança do
sistema: Q<0.
A variação da energia interna resulta do
balanço energético do trabalho realizado
sobre o sistema e da energia cedida, como
calor, para a vizinhança desse sistema.
∆Eint = Q + W
UMA GARRAFA TERMO
OU VASO DE DEWAR
Se a temperatura do exterior da garrafa
for, por exemplo, de 20º C, a temperatura
da substância no seu interior mantém-se
paticamente inalterável.
Na prática, é um sistema
isolado termicamente.
A variação de energia interna do sistema é nula. A energia
interna do sistema mantém-se praticamente constante.
∆Eint = Q + W = 0
Q=0 eW=0
EXERCÍCIO
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA
É a variação em que o sistema não recebe nem
cede calor à sua vizinhança.
Durante a compressão, há uma força externa
que realiza trabalho sobre o sistema.
O trabalho mecânico realizado durante a
compressão aumenta a energia interna do gás.
Ocorre um aumento da sua temperatura.
∆Ei = W
Na transformação adiabática - a variação de energia interna
do sistema é igual ao trabalho realizado sobre o sistema.
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
Considere um certo volume de gás encerrado
num recipiente fechado, munido de um êmbolo.
Uma transformação isobárica ocorre a pressão
constante.
Os corpusculos do gás colidem uns com os outros e contra as paredes do
recipiente, exercendo uma determinada pressão.
Se o processo for suficientemente lento, a pressão do gás manter-se-á
constante, ocorrendo uma variação na temperatura e no volume do sistema.
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
Durante a compressão LENTA
do gás o trabalho realizado pelo
êmbolo é positivo.
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
Durante a expansão do gás, o trabalho
realizado pelo êmbolo é negativo.
A força F que o embolo exerce sobre o gás
tem a mesma direcção e sentido oposto ao
deslocamento (opõe-se à expansão do gás).
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICAS
É uma transformação em que um gás contido num recipiente hermeticamente
fechado mantém constante o seu volume.
Pela 1ª Lei da termodinâmica
O trabalho é sempre nulo e a 1ª Lei da Termodinâmica toma a forma:
Na transformação isocórica - a variação de energia interna do sistema é igual
à energia recebida ou cedida pelo sistema como calor.
SISTEMAS GASOSOS
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA E ISOCÓRICAS
(p = const)
(V = const)
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
ACTIVIDADE DE LABORATÓRIO
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
Vimos que a energia transferida como calor entre dois sistemas se
não ocorrer mudança de fase era dada por:
Q = m c ∆T c - capacidade térmica mássica
C=mc
C - capacidade térmica
Q = C ∆T
E se ocorrer mudança de fase? Como calcular, por exemplo, a energia
necessária para a água passar do estado sólido para o estado líquido e
desta para o estado gasoso?
E = m ∆H
∆H - Variação de entalpia
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
∆H - Quantidade de energia recebida ou cedida pela unidade de
massa de uma substância ou material para quee sofra uma mudança
de estado físico – variação de entalpia
EXERCÍCIO
Forneceu-se a um bloco de gelo com a massa de 100 g e à
temperatura de -5 ºC 50 KJ. Calcule a temperatura final de
um bloco de gelo.
Considere:
∆Hfusão = 3,34 x 105 J kg-1
cgelo = 2,1 x 103 J kg-1 ºC-1
Solução:
∆T = 37,2 ºC
MÁQUINA A VAPOR
James Watt 1736-1819
DEGRADAÇÃO DA ENERGIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A máquina a vapor o
avião e o canhão são
exemplos de máquinas
térmicas.
No entanto em qualquer
destas situações há
degradação de energia.
Realizam trabalho a
partir de transferências
de energia.
A quantidade de energia
fornecida é superior à
quantidade de energia
produzida.
Para que
um sistema
realize
trabalho
é necessário
fornecer-lhe
energia.
MÁQUINAS TÉRMICAS
James Watt 1736-1819
Físico Escocês
A locomotiva a vapor é uma
máquina térmica.
Tem por base os princípios
desenvolvidos por James Watt.
Trabalho Útil
Ambiente
O carvão é queimado na fornalha.
O calor libertado aquece a água contida numa
caldeira até à ebulição.
O vapor de água produzido faz movimentar um
êmbolo que está associado às rodas da locomotiva,
permitindo o seu movimento.
Os gases que se libertam da queima do carvão saem
pela chaminé.
BALANÇO ENERGÉTICO NUMA
MÁQUINA A VAPOR
Q´ - calor cedido ao meio ambiente
A energia transferida à máquina, como calor, não é
integralmente utilizada para realizar trabalho mecânico.
Parte desta energia é libertada, como calor, através da
chaminé – corresponde à energia dissipada.
POSTULADO DE KELVIN
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Transformações semelhantes à do exemplo dado
levaram William Thomson (Lord Kelvin) a formular
o seguinte postulado.
Físico Irlandês
POSTULADO DE KELVIN
Nenhum sistema termodinâmico, que funcione de modo
cíclico pode transferir calor de uma única fonte,
transformando-o integralmente em trabalho.
Este postulado é um dos possíveis enunciados da 2ª Lei da
Termodinâmica. A locomotiva a vapor é uma aplicação desta Lei.
APLICAÇÕES DO POSTULADO DE KELVIN
EM PROCESSOS INDUSTRIAIS
Balanço Energético numa Central Térmica
Q´1 – calor perdido na caldeira.
Q´2 – calor perdido por arrefecimento no condensador.
Q´3 – calor perdido nos circuitos do alternador e do transformador.
MÁQUINAS TÉRMICAS
Um dos principais objectivos de
quem constrói uma máquina térmica,
é que esta tenha o maior rendimento
possível.
POSTULADO DE CLAUSIUS
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
POSTULADO DE CLAUSIUS
É impossível transferir calor, espontaneamente,
de um sistema a temperatura mais baixa para
outro sistema a temperatura mais alta.
Físico Alemão
Quando se adiciona o chocolate quente ao gelado, o
calor transfere-se, espontaneamente, num único
sentido:
do chocolate para o gelado até se atingir o equilíbrio
térmico.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Só é possível transferir calor de uma
fonte fria para uma fonte quente
através da realização de trabalho.
Ex: frigorífico, arcas congeladoras e
bombas de calor.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A eficiência de uma máquina frigorífica é
o quociente entre a energia sob a forma de
calor que sai da fonte fria, Qf, e o trabalho
necessário para realizar essa transferência de
energia. Pode ser superior a 1. A eficiência
típica de uma máquina frigorífica varia entre
4 e 6.
Uma eficiência igual a 5, significa que o
frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria
(interior do frigorífico) para a fonte quente
(exterior), por cada 1 J de energia eléctrica
que consome.
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversiveis.
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Em 1865, Clausius estabeleceu uma lei que necessitou da definição
de uma nova variável de estado termodinâmica – ENTROPIA – e
que mede a desordem que ocorre na estrutura de um sistema à
medida que este evolue.
A quase totalidade dos fenómenos que
ocorrem são irreversíveis.
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A queda de uma bola também
é um processo irreversível.
Ocorre num só sentido.
É impossível a ocorrência espontânea de
um processo irreversível, no qual há
uma diminuição total da entropia.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
LEI DA NÃO DIMINUIÇÃO DA ENTROPIA
Físico Irlandês
Um corpo quente em contacto com um corpo
frio não pode aquecer.
A entropia de um sistema isolado não pode
diminuir.
A entropia do universo nunca diminui
Nos processos espontâneos, há diminuição de
energia útil.
EXERCÍCIO
Explica o processo de dissolução (difusão) de um cristal
de permanganato de potássio em água e relaciona-a com a
entropia do sistema.
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
MÁQUINAS TÉRMICAS
As máquinas térmicas são
dispositivos que
convertem calor em
trabalho.
Ex. motor de um
automóvel.
É denominado motor de
combustão interna
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
http://www.animatedengines.com/locomotive.shtml
MÁQUINAS TÉRMICAS
BALANÇO ENERGÉTICO NO MOTOR DE
COMBUSTÃO INTERNA
BALANÇO ENERGÉTICO NO MOTOR DE
COMBUSTÃO INTERNA
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
EXERCÍCIO
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