TERMODINÂMICA. Prof. Marcos Chagas

Prof. Marcos Chagas

Termodinâmica é a ciência que trata

• do calor e do trabalho

• das características dos sistemas e

Sadi Carnot 1796 - 1832 James Joule 1818 - 1889 Rudolf Clausius 1822 - 1888 Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907 Emile Clapeyron 1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica

Nasceu em Salford - Inglaterra

James P. Joule

(1818-1889)

Contribuição de James Joule.

trabalho mecânico, eletricidade e calor. 1840 Efeito Joule : Pot = RI2

1843 Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4,18 J)

1852 Efeito Joule-Thomson : decréscimo da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo.

As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina:

a Termodinâmica Lei da Conservação de Energia 1a _Lei da Termodinâmica

O princípio da conservação da

energia aplicado à Termodinâmica

A energia total de um sistema é composta de duas parcelas: a energia externa e a energia interna.

A energia externa do sistema é devida às relações que ele guarda com seu meio exterior – energia cinética e potencial.

A energia interna do sistema relaciona-se com suas condições intrínsecas. Num gás corresponde às parcelas: energia térmica, energia potencial de configuração, energias cinéticas atômico-moleculares.

OBS.: a energia interna U de um sistema não pode ser medida, porém, devemos conhecer a sua variação ∆U

_.

Variação da energia interna (∆U)

Situações Possíveis Energia Interna

aumenta diminui não varia

Para entender melhor a

1

Lei de Termodinâmica

é

preciso

compreender

as

características

dos

sistemas

termodinâmicos e os caminhos

“percorridos” pelo calor

Certa massa delimitada por uma fronteira.

Vizinhança do sistema.

O que fica fora da fronteira

Sistema isolado

Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

Sistema fechado

Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.

Transformação

Estado 1 _{Transformação} Estado 2

Variáveis de estado

Variáveis de estado

“Caminho” descrito pelo sistema na transformação .

Processos

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura invariável

Isobárico Pressão invariável

Isovolumétrico volume constante

Transformações

1

_{Lei da Termodinâmica}

ΔU = U₂ – U1

Variação Energia Interna

W > 0 → energia que sai do sistema

W< 0 → energia que entra no sistema

Q > 0 → calor que entra no sistema Q < 0 → calor que sai do sistema

1

_Lei

∆U = Q - W

∆U = Q - W Gás Expansão nula W = 0 Δ U = Q = (mc)_gás ΔT Como (mc)gás = ctc

ΔU depende apenas de ΔT. ΔT = 0 → ΔU = 0 ΔT > 0 → ΔU > 0 ΔT < 0 → ΔU < 0 Como U é uma variável de estado, ΔU não

depende do processo.

Variação da Energia Interna

A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

O calor Q que passa pelas

fronteiras do sistema depende

do processo.

∆V = V₂ -V1 ∆U = Q - W W depende de como a pressão e volume mudam no processo. W = F.d F = p.S W = p.S.d W = p.ΔV . O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo?

P

V

= nRT

Estado 1

no _{de mols}

Constante dos gases

R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K Diagramas P x V Gases ideais 1 P1 V1 T1 Como as variáveis de estado se relacionam? Equação de estado

1ª Lei da Termodinâmica

W = 0

Q = n  C_V  (T₂-T₁)

Calor molar a volume constante

U = Q = n  C_V  (T₂-T₁) ∆V = 0 Transformação de 1 → 2 Volume invariável Isovolumétrica

Processo isovolumétrico

Transformação a volume constante

U = Q - W

Na transformação

Isovolumétrica a variação da energia interna do gás é igual à quantidade de

Q = + n

C

(T

- T

)

Calor molar a volume constante

Transformação a pressão constante

Processo isobárico

Na transformação Isobárica a quantidade

de calor recebida é maior que o trabalho

Êmbolo movimentado lentamente

∆U = 0 → ∆T = 0

Transformação à temperatura constante

0 = Q – W

Processo Isotérmico

Na transformação

Isotérmica, o calor trocado pelo gás com o meio exterior é igual ao trabalho

realizado no mesmo processo.

Movimento rápido do êmbolo. Q = 0

W = - ∆U = - nCv∆T

Primeira Lei da Termodinâmica

∆U = Q - W

Q = 0 → ∆U= - W

Compressão adiabática

Trabalho transforma-se em calor

Q = 0

O processo ocorre tão rapidamente que

o sistema não troca calor com o exterior.

W

Área sob o grafico

Processo adiabático

3.- Wciclo = W = área 12341

W_ciclo > 0 → Q_ciclo  0

Ciclo em sentido horário: conversão de calor em trabalho (Q→W) Ciclo em sentido anti-horário: conversão de trabalho em calor (W →Q)

1a _{Lei da Termodinâmica}

∆U_ciclo = Q_ciclo - W_ciclo Q_ciclo = W_ciclo

1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial

2.- Q_ciclo = Q

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

Fonte quente Fonte fria Trabalho Ciclo De onde a máquina retira calor QHot. Para onde a máquina rejeita calor QCold

A máquina de Denis Papin 1647 - 1712

Em cada ciclo

W = Q₁ - Q₂

∆U = 0

Princípio de Carnot

"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode

ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"

BC e DA = adiabáticas

Ciclo reversível

Refrigerador

Bomba de calor

12: compressão adiabática em um compressor

23: processo de rejeição de calor a pressão constante

34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

1a _{Lei da}

Termodinâmica

A energia total do Universo, com ou sem transformações, permanece constante.

2a _{Lei da}

Termodinâmica

A disponibilidade de energia para realização de trabalho diminui após cada transformação

2

_{Lei da Termodinâmica}

Refrigerador ou Bomba de Calor

Segunda Lei

Formulação de Clausius

É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria

para outra quente.

É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclo termodinâmico, não produza outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para outro quente.

COPRefrigerador = Q2/W

Máquinas Térmicas

W = W₂ – W₁

2a _{Lei da Termodinâmica}

Formulação de Kelvin-Planck

É impossível construir uma máquina térmica com

eficiência 100%.

Ou seja uma máquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em

Formulação de Clausius

É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente.

Formulação Kelvin-Planck

É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%.

Segunda Lei Termodinâmica

Ambas são afirmações negativas. Não podem ser demonstradas.

Baseiam-se em evidências experimentais.

A 2a _Lei

Enuncia a impossibilidade de construção de moto perpétuo de 2a

espécie.

Moto Perpétuo

1a _{Espécie: criaria trabalho do nada. Viola a 1}a _Lei.

2a _{Espécie: viola a 2}a _Lei

3a _{Espécie: inexistencia de atrito produziria movimento}

Qual o limite do rendimento de uma máquina térmica? Q1 → 0 É possível construir esta máquina?

Máquinas Térmicas

100% de rendimento ?

Impossível!

Qual o máximo rendimento de uma Máquina Térmica?

A construção de uma máquina ideal

Definição de um processo ideal. Processo reversível.

Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem

deixar vestígios no sistema e no meio circundante.

Processo reversível:

desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

Causas que tornam um processo irreversível.

Atrito

Expansão não resistida.

Troca de calor com diferença finita de temperatura.

Mistura de 2 substâncias diferentes.

Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, Histerese etc.

O processo de troca de calor pode ser reversível se for feita mediante diferença infinitesimal de temperatura, mas que exige tempo infinito ou área infinita.

Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

Rudolf Clausius

Nasceu em Koslin (Polônia) e morreu em Bonn (Alemanha)

Físico Teórico - Termodinâmica

1.- A energia do Universo é constante.

2.- A entropia do Universo tende a uma valor máximo.

Entropia

A quantificação da 2a Lei

Apresentou em 1865 a sua versão para as

Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta.

∆S = QT  0

Aumenta a EC e/ou agitação molecular

Aumenta a “desordem”

Entropia é a medida da desordem

Entropia e a desordem

Ordem e Energia - Sistemas Biológicos

Entropia 2ª Lei

Evolução

natural Ordem → Desordem

Como os sistemas biológicos se desenvolvem e mantém alto grau de ordem?

É uma violação da 2ª Lei?

Ordem pode ser obtida as

custas de energia _{energia potencial nas moléculas de glucose} A fotosíntese converte energia solar em

com de alta ordem de organização.

Nos animais Células – Mitocôndria

armazenam moléculas de açúcar para formar moléculas altamente