Márcio Nasser Medina Moisés André Nisenbaum

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1 A Márcio Nasser Medina Moisés André Nisenbaum Este documento tem nível de compartilhamento de acordo com a licença 3.0 do Creative Commons.

2 Introdução Nos exemplos a seguir analisaremos algumas transformações termodinâmicas do ar contido em uma seringa tampada. O ar seco nas condições de nossos experimentos pode ser considerado uma boa aproximação de gás ideal. A variação das propriedades termodinâmicas volume (V), pressão (P) e temperatura (T) serão mostradas graficamente e veremos como a primeira lei da Termodinâmica (ΔU = Q W) pode ser observada durante as transformações. Os gases são substâncias muito usadas em máquinas térmicas. Por exemplo, no motor a explosão dos automóveis é o ar que se expande para movimentar os pistões. O mesmo ocorre na máquina a vapor. Além disso, muitas substâncias se apresentam na forma gasosa e participam de transformações termodinâmicas durante reações químicas. Portanto, o estudo das transformações termodinâmicas em gases é de extrema importância para contextualização da primeira lei da Termodinâmica. Transformação isovolumétrica Durante essa transformação o êmbolo não se movimenta, portanto o volume (V) do ar não varia. O que acontece se aquecemos o ar através de uma fonte externa? Com relação à temperatura (T), é natural que ela aumente, e é isso que acontece na prática. Quanto mais aquecemos o ar, maior a pressão (P) que ele exerce. Isso poderia ser constatado se liberássemos o êmbolo, pois ele se movimentaria. Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso do resfriamento do ar?. 1.

3 Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Como o êmbolo está travado, não há como o ar realizar trabalho mecânico na vizinhança, logo W = 0. Desse modo: ΔU = Q Isso significa que após uma transformação isovolumétrica, o calor recebido pelo gás é usado em sua totalidade para variar sua energia interna. Transformação isobárica Durante essa transformação o êmbolo é mantido livre para se movimentar, ou seja, sem atrito. Se o êmbolo estiver parado (ou se movimentando com velocidade constante) ele estará em equilíbrio, ou seja, a pressão que o gás exerce será equilibrada pela pressão atmosférica mais a pressão devido ao peso do êmbolo. Como nesse experimento o peso do êmbolo não muda e a pressão atmosférica não varia significativamente, a pressão (P) do ar fica praticamente constante durante a transformação. O que acontece se aquecemos o ar através de uma fonte externa? Com relação à temperatura (T), é natural que ela aumente, e é isso que acontece na prática. Diferentemente da transformação isovolumétrica, o êmbolo agora está solto, de modo que o gás se expande (V aumenta) ao receber calor. Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso do resfriamento do ar?. 2.

4 Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Primeiramente repare que a área sob o gráfico PxV é a de um retângulo. Desse modo, o trabalho realizado pelo gás é W = P.ΔV. Então, a primeira lei da Termodinâmica fica: ΔU = Q P.ΔV Muitas reações químicas ocorrem à pressão constante. Por exemplo, a chama do fogão é uma reação química de combustão que ocorre à pressão atmosférica. Para quantificar o calor envolvido em reações químicas nessas condições, foi definida a propriedade Termodinâmica Entalpia (H). Transformação isotérmica Durante essa transformação o ar é mantido em equilíbrio térmico com o gelo fundente. Isso garante que o ar mantém sua temperatura (T) constante igual à temperatura de fusão do gelo. Ao reduzirmos o volume (V) do ar percebemos que o ar força o êmbolo para fora. Isso acontece porque a pressão (P) do ar aumenta quando ele sofre a compressão. Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso da expansão do ar? Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Se considerarmos o ar como sendo um gás. 3.

5 praticamente ideal, se a temperatura for constante, a energia interna não varia (ΔU = 0). Então, a primeira lei da Termodinâmica fica 0 = Q W Q = W Isso significa que após uma transformação isotérmica, o calor recebido pelo gás convertido em sua totalidade em trabalho e o trabalho realizado sobre o gás é convertido em sua totalidade em calor. Transformação adiabática Durante a transformação adiabática, o ar não troca calor com a vizinhança. Isso pode ser obtido colocando um isolante térmico envolvendo a seringa. Nesse caso, o ar não recebe nem cede calor para vizinhança, assim, Q = 0. Então, a primeira lei da Termodinâmica fica assim: ΔU = - W Isso significa que após uma transformação adiabática, o trabalho realizado sobre o gás é transferido, em sua totalidade, para a energia interna do gás.. 4.

6 Máquina a vapor Esse é um modelo pedagógico de uma máquina térmica a vapor. Nele, a caldeira é representada por um recipiente esférico alimentado por chamas, a turbina é representada pela roda dentada girante e o condensador é representado pelo tubo em S resfriado pelo gelo. O objetivo de construir uma máquina a vapor é o de converter energia térmica em mecânica. Através desse modelo vamos explicar de forma simplificada o funcionamento dela. A água aquecida na caldeira muda de estado físico para vapor a alta temperatura e pressão. O vapor atravessa a turbina para um local de menor pressão, movimentando-a. O vapor é então condensado no condensador e volta para a caldeira e o ciclo então se repete. Observando os veículos de transporte modernos, a máquina a vapor pode parecer coisa do passado, em desuso. Entretanto as turbinas a vapor são largamente utilizadas em usinas termelétricas que são responsáveis pela maior parte da geração de energia elétrica do planeta.. 5.

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