Lei Zero da Termodinâmica (equil
Lei Zero da Termodinâmica (equilí í brio t brio t érmico de três é rmico de três corpos)
corpos)
Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica
cal cal ó ó rico: fluido invis rico: fluido invis í í vel ( 200 anos atr vel ( 200 anos atr á á s) s) objetos quentes para objetos frios
objetos quentes para objetos frios parecia ser conservado
parecia ser conservado essa id
essa id é é ia foi precursora da Lei da Conserva ia foi precursora da Lei da Conserva ç ç ão de ão de Energia
Energia
Primeira Lei da Termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica
a teoria do cal
a teoria do cal órico foi gradualmente abandonada a ó rico foi gradualmente abandonada a partir da segunda metade do S
partir da segunda metade do S éc. XIX; é c. XIX;
hoje encaramos calor como energia transferida, hoje encaramos calor como energia transferida,
geralmente a partir de colisões moleculares;
geralmente a partir de colisões moleculares;
calor
calor é é energia em trânsito entre os componentes de um energia em trânsito entre os componentes de um sistema termodinâmico.
sistema termodinâmico.
Energia Interna Energia Interna
existe uma enorme quantidade de energia
existe uma enorme quantidade de energia “ “ guardada” guardada ” em todos os materiais
em todos os materiais movimento das mol
movimento das mol é é culas: energia cin culas: energia cin é é tica; tica;
intera
interaç ções com mol ões com molé éculas vizinha: energia potencial; culas vizinha: energia potencial;
combustão: energia qu
combustão: energia quí ímica; mica;
energia
energia “ “ de existir” de existir ” : E=mc : E=mc
22Em considera
Em consideraç ção dessas e de outras formas de energia no ão dessas e de outras formas de energia no interior das substâncias chamamos de
interior das substâncias chamamos de
ENERGIA INTERNA
ENERGIA INTERNA
Primeira Lei da Termodinâmica: DEFINI
Primeira Lei da Termodinâmica: DEFINI Ç Ç ÃO ÃO
j j á á falamos sobre a conservaç falamos sobre a conserva ção de energia e sua rela ão de energia e sua relaç ção ão com a 1
com a 1ª ª. Lei da Termodinâmica: . Lei da Termodinâmica:
Quando flui calor para um sistema ou para fora dele, Quando flui calor para um sistema ou para fora dele, o sistema ganha ou perde uma quantidade de energia o sistema ganha ou perde uma quantidade de energia igual
igual à à quantidade de calor transferido. quantidade de calor transferido.
exemplos de sistemas:
exemplos de sistemas:
vapor quente dentro de uma m
vapor quente dentro de uma m áquina t á quina té érmica; rmica;
atmosfera inteira da Terra;
atmosfera inteira da Terra;
oceanos oceanos ser vivo ser vivo
O importante
O importante é é definirmos claramente o que est definirmos claramente o que est á á dentro e fora do sistema. dentro e fora do sistema.
Se adicionarmos calor ao vapor,
Se adicionarmos calor ao vapor, à à atmosfera ou ao corpo de um ser atmosfera ou ao corpo de um ser vivo, adicionamos
vivo, adicionamos energia energia ao sistema ao sistema
O sistema pode usar essa energia para:
O sistema pode usar essa energia para:
aumentar sua pr
aumentar sua pró ópria energia interna ou pria energia interna ou para realizar trabalho sobre sua vizinhan para realizar trabalho sobre sua vizinhanç ça. a.
Resumidamente, ocorre:
Resumidamente, ocorre:
aumento da energia interna do sistema, se a energia aumento da energia interna do sistema, se a energia permanece nele;
permanece nele;
a realiza
a realizaç ção de trabalho pelo sistema sobre coisas ão de trabalho pelo sistema sobre coisas
que lhe são externas, caso a energia adicionada deixe que lhe são externas, caso a energia adicionada deixe o sistema.
o sistema.
Especificamente, a Primeira Lei estabelece que:
Especificamente, a Primeira Lei estabelece que:
Calor adicionado ao sistema = Calor adicionado ao sistema =
aumento da energia interna +
aumento da energia interna +
trabalho externo realizado pelo sistema
trabalho externo realizado pelo sistema
Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica
dW dQ
dE
W Q
E
−
=
−
=
∆
int int
l, diferencia forma
na
O acréscimo de energia interna do sistema é igual ao calor adicionado
ao sistema + o trabalho realizado PELO PELO sistema.
se trabalho é realizado pelo pelo sistema(isto é, se W é >0) a energia interna do sistema diminui.
Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
Processos adiab
Processos adiab á á ticos ticos
Quando um processo termodinâmico ocorre tão Quando um processo termodinâmico ocorre tão
rapidamente ou tão bem isolado termicamente, tal que rapidamente ou tão bem isolado termicamente, tal que
não h
não h á á troca de calor entre o sistema e o ambiente troca de calor entre o sistema e o ambiente fazendo Q=0 na equa
fazendo Q=0 na equa ç ç ão da 1 ão da 1 ª ª . Lei . Lei
W E = −
∆ int
por outro lado, se
trabalho é realizado
sobre o sistema (W<0) a
energia do sistema
aumenta
Volume Constante Volume Constante
Se o volume de um sistema (g
Se o volume de um sistema (g á á s) s) é é mantido constante, tal mantido constante, tal sistema não realiza trabalho (fazendo W=0)
sistema não realiza trabalho (fazendo W=0)
Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
Q E =
∆ int
se calor é adicionado adicionado ao sistema (isto é, se Q é >0) a energia interna do sistema aumenta.
por outro lado, se calor é removido
removido do sistema
(Q<0) a energia interna
diminui.
Processos C
Processos Cí í clicos clicos em alguns casos, ap
em alguns casos, ap ós conversões entre trabalho e calor, o ó s conversões entre trabalho e calor, o sistema retorna ao seu estado inicial. Nesse caso
sistema retorna ao seu estado inicial. Nesse caso nenhuma propriedade intr
nenhuma propriedade intr í í nseca do sistema pode variar nseca do sistema pode variar ( incluindo sua energia interna,
( incluindo sua energia interna, ∆ ∆ E=0 E=0 ) )
Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
W
Q =
Livre Expansão Livre Expansão
esses são casos adiab
esses são casos adiabá áticos especiais quando nenhum ticos especiais quando nenhum trabalho
trabalho é é realizado realizado sobre/pelo sobre/pelo sistema. sistema.
Assim, W=
Assim, W= - - W=0, então Q=0 e a 1 W=0, então Q=0 e a 1 ª ª . Lei requer . Lei requer
Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
int = 0
∆ E
Mecanismos
Mecanismos de de transferência transferência de de Calor Calor
Condu
Condu ção ç ão Convec
Convec ção ç ão Radia
Radia ção ç ão
A Meteorologia e a Primeira lei da A Meteorologia e a Primeira lei da
Termodinâmica Termodinâmica
A temperatura do ar aumenta quando calor
A temperatura do ar aumenta quando calor é é adicionado ou adicionado ou quando a pressão aumenta
quando a pressão aumenta O calor
O calor é é adicionado por: adicionado por:
radia
radiaç ção solar; ão solar;
radia
radiaç ção terrestre de ondas longas; ão terrestre de ondas longas;
condensa
condensaç ção do vapor, e ão do vapor, e contato com o solo aquecido contato com o solo aquecido O calor pode ser perdido por:
O calor pode ser perdido por:
radia
radiaç ção para o espa ão para o espaç ço; o;
evapora
evaporaç ção da chuva enquanto cai, envolta no ar seco; ão da chuva enquanto cai, envolta no ar seco;
contato com superf
contato com superfí ícies + frias cies + frias
Processos quase
Processos quase - - adiab adiab á á ticos ticos
Processos quase adiab
Processos quase adiabá áticos: a quantidade de calor adicionada ou ticos: a quantidade de calor adicionada ou retirada da atmosfera
retirada da atmosfera é é muito pequena. muito pequena.
A forma adiab
A forma adiabá ática da 1a. Lei fica: tica da 1a. Lei fica:
A temperatura do ar aumenta (ou diminui) quando a pressão A temperatura do ar aumenta (ou diminui) quando a pressão
aumenta (diminui) aumenta (diminui) Os processos adiab
Os processos adiabá áticos na atmosfera podem durar minutos ou ticos na atmosfera podem durar minutos ou horas, dependendo da escala do fenômeno.
horas, dependendo da escala do fenômeno.
Esses processos ocorrem como se estivessem cobertos por uma Esses processos ocorrem como se estivessem cobertos por uma imensa cortina ou tela.
imensa cortina ou tela.
Resfriamento adiab
Resfriamento adiab á á tico tico
Uma nuvem
Uma nuvem cumulus cumulus é é o resultado do resfriamento rá o resultado do resfriamento r á pido pido (adiab
(adiab ático) de uma massa de ar á tico) de uma massa de ar ú ú mido que se eleva. mido que se eleva.
• • obté obt ém energia da condensa m energia da condensaç ção do vapor de ão do vapor de á água gua
Calor e Trabalho: uma visão mais detalhada Calor e Trabalho: uma visão mais detalhada
Seja o nosso sistema um g Seja o nosso sistema um gá ás s confinado num cilindro, com um confinado num cilindro, com um pistão m
pistão mó óvel. vel.
Calor Q pode ser adicionado ou Calor Q pode ser adicionado ou removido do g
removido do g ás, regulando a á s, regulando a temperatura T do reservat
temperatura T do reservat ório ó rio té t érmico. rmico.
Trabalho
Trabalho é é realizado atravé realizado atrav és da s da movimenta
movimentaç ção do pistão. ão do pistão.
O estado inicial do sistema
O estado inicial do sistema é é descrito descrito por uma pressão
por uma pressão p p
iium volume um volume V V
iie e uma temperatura
uma temperatura T T
ii. .
Apó Ap ós a transforma s a transforma ção do sistema ç ão do sistema
termodinâmico, este atinge um estado termodinâmico, este atinge um estado final
final f f
As transforma
As transforma ções ocorrem devagar e ç ões ocorrem devagar e o sistema est
o sistema está á aproximadamente em aproximadamente em equil
equilí íbrio t brio té érmico. rmico.
Ao removermos o peso de chumbo, o Ao removermos o peso de chumbo, o gá g ás expande e desloca o pistão para s expande e desloca o pistão para cima (for
cima (for ça ç a F e deslocamento F e deslocamento ds ds ) )
Pressão =
força / área
O trabalho diferencial
O trabalho diferencial dW dW feito pelo gá feito pelo g ás durante o s durante o deslocamento
deslocamento é é
dV p
dW
ds A
p ds
pA ds
F dW
=
=
=
= . ( )( ) ( )
Onde
Onde dV dV é é a variaç a varia ção diferencial no volume do g ão diferencial no volume do gá ás, s, relacionado ao deslocamento do pistão.
relacionado ao deslocamento do pistão.
∫
=
=
Vf
Vi
dV p
W
dV p
dW
Se removemos o peso sobre o pistão, este se desloca a Se removemos o peso sobre o pistão, este se desloca a
partir de um volume
partir de um volume V V i i até at é V V f f . .
Então o trabalho total realizado pelo g
Então o trabalho total realizado pelo g á á s ser s ser á á : :
Durante as varia
Durante as varia ções de volume, pressão e temperatura ç ões de volume, pressão e temperatura tamb tamb é é m podem variar m podem variar
Para resolver a integral e obtermos o trabalho Para resolver a integral e obtermos o trabalho é é
necess
necess á á rio saber como a pressão varia com o volume rio saber como a pressão varia com o volume no processo termodinâmico
no processo termodinâmico. .
Segunda Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica
Suponha que tenhamos um tijolo quente sobre um tijolo Suponha que tenhamos um tijolo quente sobre um tijolo
frio.
frio.
Sabemos que o fluxo de calor vai do quente para o frio...
Sabemos que o fluxo de calor vai do quente para o frio...
Nenhuma energia se perde, de acordo com a 1
Nenhuma energia se perde, de acordo com a 1 ª ª . LT . LT Imagine que o tijolo quente extra
Imagine que o tijolo quente extraí ísse calor do tijolo frio. sse calor do tijolo frio.
Isso violaria a 1
Isso violaria a 1ª ª.LT ? .LT ?
Não, desde que o quente ficasse mais quente e o frio, Não, desde que o quente ficasse mais quente e o frio,
mais frio...
mais frio...
Mas viola a Segunda Lei da Termodinâmica:
Mas viola a Segunda Lei da Termodinâmica:
O calor por si mesmo jamais flui de um objeto frio para um O calor por si mesmo jamais flui de um objeto frio para um
objeto quente !
objeto quente !
A Ordem tende para a Desordem A Ordem tende para a Desordem
A 1ª A 1 ª. LT estabelece que a energia não pode ser criada . LT estabelece que a energia não pode ser criada nem destru
nem destru ída í da - - > refere > refere -se a - se a “ “ quantidade” quantidade ” da energia da energia
A 2 A 2 ª ª . LT qualifica as transforma . LT qualifica as transforma ç ç ões de energia, as quais ões de energia, as quais são deterioradas em formas menos
são deterioradas em formas menos ú ú teis de energia. teis de energia.
Outra forma de dizer isso: a energia
Outra forma de dizer isso: a energia “ “ organizada organizada ” ” se se degenera em energia
degenera em energia “ “ desorganizada desorganizada ” ” Uma vez que a
Uma vez que a á á gua j gua j á á fluiu sobre uma queda, perdeu fluiu sobre uma queda, perdeu seu potencial de realizar trabalho
seu potencial de realizar trabalho ú ú til; til;
Da mesma forma a gasolina, onde a energia Da mesma forma a gasolina, onde a energia é é
organizada se degrada quando queima dentro do motor organizada se degrada quando queima dentro do motor
do carro.
do carro.
Resumindo Resumindo
Energia
Energia ú útil degenera til degenera - - se em formas não ú se em formas não ú teis, e é teis, e é incapaz de realizar trabalho novamente;
incapaz de realizar trabalho novamente;
O calor, esparso no meio ambiente como energia O calor, esparso no meio ambiente como energia t t é é rmica, rmica, é é um t um t ú ú mulo para a energia mulo para a energia ú ú til; til;
A perda de qualidade da energia ocorre sucessivamente A perda de qualidade da energia ocorre sucessivamente
a cada transforma
a cada transforma ç ç ão que ela sofre. ão que ela sofre.
Em processo naturais, a energia de alta qualidade tende a Em processo naturais, a energia de alta qualidade tende a
transformar
transformar - - se em energia de qualidade mais baixa se em energia de qualidade mais baixa – – a a ordem tende para a desordem.
ordem tende para a desordem.
Um pouco mais sobre condu
Um pouco mais sobre condu ç ç ão e radia ão e radia ç ç ão de calor ão de calor
calor de
radiação
calor de
nsferência tra
de média taxa
T
4A P
L T A T
t k Q dt
H dQ
r
C H
ε σ
=
= −
∆
≈ ∆
=
Lei de Newton para o resfriamento Lei de Newton para o resfriamento
Se a diferen
Se a diferenç ça de temperatura a de temperatura ∆T ∆ T entre um objeto e suas vizinhanç entre um objeto e suas vizinhan ças as não for muito grande (
não for muito grande ( ∆T= ∆ T= T T
objetoobjeto-T - T
vizinvizin) então a taxa de ) então a taxa de
resfriamento (ou aquecimento) do objeto (ao longo do tempo) resfriamento (ou aquecimento) do objeto (ao longo do tempo) é é aproximadamente proporcional a sua diferen
aproximadamente proporcional a sua diferen ça de temperatura; ou ç a de temperatura; ou seja:
seja:
onde b b é constante.
a) de quais fatores b b depende ?
b) qual é o significado do sinal de - ? c) qual é a dimensão de b b ?
d) mostre que
considerando que, no instante inicial do processo ( t=0 ) a diferença de temperatura é ∆T ∆ T
oo) ( T dt b
T
d ∆ = − ∆
bt o
