Apostila de Física 12 Leis da Termodinâmica

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1 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.

2 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. 5.3 Transformação Isocórica = = +ΔU A variação de energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada com o meio exterior. Volume constante Trabalho realizado é nulo. 5.4 Transformação Adiabática = ΔU 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:

3 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.

4 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): 30%. As máquinas térmicas geralmente apresentam rendimentos baixos, inferiores a 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:

5 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:

6 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 Demônio de Maxwell James Clerk Maxwell ( ). 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.