Descrição Macroscópica de um Gás ideal

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2 Descrição Macroscópica de um Gás ideal O gás não tem volume fixo ou uma pressão fixa O volume do gás é o volume do recipiente A pressão do gás depende do tamanho do recipiente A equação de estado relaciona a pressão P, a temperatura T e o volume V do gás Para um gás ideal a equação de estado obtida experimentalmente é relativamente simples Gás ideal é um gás de densidade baixa (pressão muito baixa)

3 Lei do gás ideal PV nrt T é a temperatura absoluta em kelvin R J/mol K é a constante universal dos gases n é o número de moles 3 A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal

4 Unidades de calor A caloria (cal) era definida como o calor necessário para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5ºC para 15,5ºC Em 1948, os cientistas concordaram que, como o calor (assim como o trabalho) é uma medida da transferência de energia, e sua unidade no SI deveria ser o joule Equivalente mecânico de calor 1cal 4,186J Dispositivo de Joule para determinar a relação da caloria e joule O trabalho realizado sobre a água pelos pesos em queda (em joules), rodam as pás produzindo um aumento de temperatura, equivalente à absorção, pela água, de uma determinada quantidade de calor (em calorias) 4

5 Calor Específico e Calorimetria O calor específico c de um substância é Q c mt Q é a energia transferida para a massa m de uma substância, fazendo T com que a sua temperatura varie de As unidades do calor específico são J/kg C A energia Q transferida do meio para um sistema de massa m varia a sua temperatura de T Q mct O calor específico elevado da água comparado com a maioria das outras substâncias comuns (Tabela) é responsável pelas temperaturas moderadas nas regiões próximas de grandes volumes de água 5

6 A Tabela mostra os calores específicos de algumas substâncias a 25 C e pressão atmosférica 6

7 A transferência de energia necessária para a mudança de fase de uma dada substância de massa m de uma substância pura é Q ml L - calor latente da substância depende da natureza da mudança de fase e da substância O calor latente de fusão é a energia necessária para romper todas as ligações intermoleculares num quilograma de uma substância de maneira a converter a fase sólida em fase líquida. fusão ou congelamento calor de fusão L f O calor latente de vaporização é a energia que deve ser adicionada a um quilograma da fase líquida de uma substância para romper todas as ligações de maneira a formar um gás evaporação ou condensação calor de evaporaçãol v 7

8 A Tabela mostra os calores latentes de diferentes substâncias O calor latente de evaporação para uma dada substância é geralmente muito maior do que o calor latente de fusão 8

9 Trabalho e Calor em Processos Termodinâmicos Variáveis de estado pressão, volume, temperatura e energia interna O estado macroscópico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistema estiver em equilíbrio térmico interno Variáveis de transferência trabalho e calor Essas variáveis só têm valor diferente de zero se ocorrer um processo no qual a energia é transferida através da fronteira do sistema

10 Trabalho realizado por um sistema deformável o gás O gás ocupa um volume V e exerce uma pressão P nas paredes do cilindro e no pistão O gás é expandido quasi-estaticamente, isto é, devagar o suficiente para permitir que o sistema se mantenha em equilíbrio térmico em todos os instantes 10 porque P F A W PV

11 Expansão do gás O trabalho realizado pelo gás é positivo Compressão do gás O trabalho realizado pelo gás é negativo O trabalho total realizado pelo gás à medida que o seu volume se altera de V i para V f é dado por W V f V i PdV O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica um diagrama PV W é a área sob a curva W 11

12 O trabalho realizado pelo gás depende da trajectória seguida entre os estados inicial e final W 2 W 3 W 1 W P f V f V 1 i W P i V f V i V f 2 W 3 V Para determinar o trabalho W 3 é preciso conhecer a função P(V) i PdV W 1 W3 W2 12

13 Primeiro Princípio da Termodinâmica U Q W Q é a energia transferida para o gás W é o trabalho realizado pelo gás U é a variação da energia interna 13

14 Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica Processo adiabático Q=0 Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, de maneira que a transferência de energia pelo calor não existe Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U W

15 Processo isobárico Processo que ocorre a uma pressão constante W U P V f V i Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica Q W Processo isométrico (ou isocórico) No processo isométrico, o volume é constante e é criado segurando-se o pistão de maneira que ele não se mova W=0 U Q W Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica Q 0 U Q Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema 15

16 Processo isotérmico Num processo isotérmico a temperatura é constante U 0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica Isoterma U Q W 0 Q W W Q A energia que entra no gás por meio do trabalho sai do gás por meio do calor, de modo que a energia interna permanece fixa PV nrt P nrt V

17 Processo cíclico O sistema não isolado começa e termina no mesmo estado U 0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica U Q W 0 Q W Q W A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinas térmicas 17

18 Mecanismos de Transferência de Energia em Processos Térmicos Condução Em escala atómica há uma troca de energia cinética entre moléculas, na qual as moléculas menos energéticas ganham energia colidindo com moléculas mais energéticas - Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno de suas posições de equilíbrio - À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chama começam a vibrar com amplitudes cada vez maiores - Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação de temperatura do metal A taxa de condução depende das propriedades da substância 18

19 Considere um bloco cujo material tem espessura x e uma secção de área A, cujas faces opostas têm temperaturas T 1 e T 2, onde T 2 > T 1 Taxa de transferência de energia pelo calor T 2 T 2 T 1 H é a potência T 1 H Q/ t (Watts ) H Q t T A x Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura dt, podemos escrever a lei da condução como dt H ka dx k é chamada de condutividade térmica do material dt / dx é o gradiente de temperatura (variação da temperatura com a posição) 19

20 Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa e uniforme e de comprimento L T 2 T 1 Está isolada de modo que a energia não possa escapar pelo calor a partir da sua superfície excepto nas extremidades, que estão em contacto térmico com reservatórios que têm temperaturas T 1 e T 2 No estado estacionário a temperatura em cada ponto ao longo da barra é constante no tempo dt T2 T 1 dx L A taxa de transferência de energia pelo calor será T2 1 H ka T L k é a condutividade térmica 20

21 A Tabela mostra a condutividade térmica de diferentes substâncias 21

22 Convecção A energia é transferida pelo movimento de um fluido Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver a água À medida que a água é aquecida numa panela, as camadas inferiores são aquecidas primeiras. Essas regiões se expandem e sobem porque tem uma densidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, a água mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aí pode ser aquecida. O mesmo processo ocorre numa sala aquecida por um aquecedor 22

23 Radiação A energia é transferida pela radiação electromagnética A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas eléctricas Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de suas moléculas H AeT A potência irradiada pelo corpo em Watts Constante de Stefan W/m 2 K 4 Boltzmann: 4 A é a área da superfície do corpo em metros quadrados e é uma constante chamada emissividade T é a temperatura da superfície do corpo em kelvins 23