2.1 Breve história da termodinâmica

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1 2.1 Breve história da termodinâmica TERMODINÂMICA calor força, movimento No início, estudava os processos que permitiam converter calor em trabalho (força e movimento).

2 2.1 Breve história da termodinâmica Na Grécia Antiga foram construídas pequenas máquinas térmicas. Hero de Alexandria 120 A.C.

3 2.1 Breve história da termodinâmica O grande desenvolvimento da Termodinâmica ocorreu na Revolução Industrial (séc. XVIII), com as máquinas a vapor. Máquina a vapor de Thomas Newcomen (1705)

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5 Termodinâmica à ramo da Física que estuda: Os sistemas macroscópicos em que há transferência e/ou transformação de energia; As propriedades macroscópicas dos sistemas, como a pressão, o volume e a temperatura, de acordo com a Teoria Cinético-Molecular. Esta teoria indica que os corpos são constituídos por partículas (átomos, moléculas e iões) em constante movimento (com energia cinética).

6 1. Sistemas termodinâmicos 1.1 O que é um sistema termodinâmico Sistema termodinâmico Conjunto de um grande número de partículas, com dimensões macroscópicas (que se podem medir), com uma determinada massa e energia, em que a temperatura pode variar e a energia pode ser transferida na forma de calor. Exemplos: O Sol, um gás ou líquido num recipiente e o movimento de uma esfera de aço ao longo de um plano inclinado com atrito.

7 Exemplo: líquido num recipiente Energia potencial gravítica, mgh Energia cinética de rotação das pás Energia interna das moléculas de água

8 1.2 Fronteira de um sistema termodinâmico Fronteira do sistema Superfície fechada (parede) real ou imaginária, que separa o sistema da sua vizinhança. Vizinhança ou ambiente do sistema Zona exterior do sistema com a qual podem ocorrer trocas de energia e/ou de matéria.

9 Exemplo: Gás num cilindro com uma parede móvel Vizinhança: ar exterior ao recipiente Sistema: gás num recipiente de parede móvel Parede móvel (êmbolo) + Superfície lateral do cilindro + Base do cilindro Fronteira: paredes do recipiente

10 Fronteira rígida Não permite transferência de energia na forma de trabalho. Fronteira diatérmica Fronteira adiabática Permite transferência de energia na forma de calor. Não permite transferência de energia na forma de calor. Fronteira permeável Permite transferência de matéria. Fronteira impermeável Não permite transferência de matéria.

11 Sistema isolado Sistema fechado Sistema aberto Não troca matéria nem energia com a vizinhança. A fronteira é impermeável e adiabática. Ex: garrafa térmica e Universo. Não troca matéria com a vizinhança mas troca energia. A fronteira é impermeável e diatérmica. Ex: lâmpada. Troca matéria e energia com a vizinhança. A fronteira é permeável e diatérmica. Ex: panela a aquecer água.

12 2. Variáveis de estado Como se caracterizam os sistemas termodinâmicos? Os sistemas termodinâmicas são caracterizados por variáveis de estado (variáveis termodinâmicas), que são propriedades do sistema termodinâmico: temperatura, pressão, volume, densidade e energia interna.

13 2.2 Temperatura A temperatura de um corpo é uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o corpo. Quanto maior é a temperatura do corpo, maior é a energia cinética média e o movimento das suas partículas.

14 2.2 Temperatura Quando se aumenta a temperatura, os sólidos e os líquidos podem mudar de estado físico devido ao aumento do movimento das suas partículas.

15 2.2 Temperatura Sólido A energia cinética das partículas resulta principalmente da sua vibração na rede cristalina, onde ocupam posições fixas. Líquido A energia cinética das partículas resulta de movimentos de translação, de rotação e de vibração. Gás A energia cinética das partículas resulta principalmente de movimentos de translação, porque estão muito afastadas umas das outras.

16 2.2 Temperatura Quando se coloca em contacto dois corpos a temperaturas diferentes, ocorre uma transferência de energia na forma de calor, entre A e C e entre B e C, do corpo que está a temperatura mais elevada para o corpo que está a temperatura mais baixa.

17 2.2 Temperatura A transferência de energia termina quando os dois corpos em contacto ficam com a mesma temperatura e atingem o equilíbrio térmico. A temperatura é a propriedade que permite dizer se dois ou mais sistemas estão em equilíbrio térmico.

18 2.2 Temperatura Lei Zero da Termodinâmica Se dois corpos A e B estiverem, separadamente, em equilíbrio térmico com um corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

19 2.2 Temperatura Ar 12 ºC 22 ºC Processo termodinâmico Quando termina a transferência de energia na forma de calor?

20 2.2 Temperatura Ar 12 ºC 12 ºC Equilíbrio térmico O sistema passou de um estado inicial (t = 22 ºC) para outro estado final diferente (t = 12 ºC), ficando em equilíbrio térmico com a vizinhança (ar).

21 2.2 Temperatura A temperatura de um corpo mede-se com um termómetro. Como funciona o termómetro? Por que é que esperamos algum tempo antes de lermos o valor da temperatura?

22 2.2 Temperatura O termómetro funciona devido a propriedades que variam com a temperatura (propriedades termométricas): Volume do mercúrio num termómetro de mercúrio; Resistência elétrica de um metal (platina, níquel, cobre) num termómetro digital; Pressão de vapor num termómetro de pressão de vapor.

23 2.2 Temperatura A cada valor da propriedade termométrica corresponde um valor de temperatura. A temperatura de um corpo mede-se com um termómetro, em contacto com o corpo até se atingir o equilíbrio térmico (o valor da temperatura não varia), de acordo com a Lei Zero da Termodinâmica. Como funciona o termómetro?

24 2.2 Temperatura O termómetro tem de ter uma escala de temperaturas. Escala Celsius A unidade é o grau Celsius (ºC).

25 2.2 Temperatura O físico sueco Celsius ( ) marcou 0 C como a temperatura de fusão da água e 100 C como a temperatura de ebulição da água, à pressão atmosférica normal e no equilíbrio térmico.

26 2.2 Temperatura Dividindo o comprimento do termómetro entre as marcas de 0 C e 100 C, em 100 partes iguais, obteve o valor de 1 C. Este processo pode ser utilizado para calibrar um termómetro de mercúrio.

27 2.2 Temperatura Escala Fahrenheit A unidade é o grau Fahrenheit (ºF). Esta escala é utilizada nos países anglo-saxónicos. Para converter o valor da temperatura em Fahrenheit (t) para Celsius (θ): θ t

28 2.2 Temperatura Para converter o valor da temperatura em Fahrenheit (t) para Celsius (θ): = θ - 0 t 32 θ = (t 32) x θ t θ = t 32 1,8

29 2.2 Temperatura Escala Kelvin A unidade de temperatura no Sistema Internacional é o kelvin (K). A temperatura na escala Kelvin é uma temperatura absoluta e representa-se por T. Zero absoluto Corresponde ao zero da escala Kelvin (0 K) e é a temperatura em que não há agitação das partículas. O zero absoluto não pode ser alcançado experimentalmente.

30 2.2 Temperatura A variação de temperatura de 1 K é igual à variação de temperatura de 1 ºC. O gelo funde à temperatura de 273,16 K e a água líquida entra em ebulição à temperatura de 373,16 K. Para converter o valor da temperatura na escala Kelvin (T) para a escala Celsius (θ): θ = T 273,15

31 2.2 Temperatura Correspondência entre as escalas Celsius, Kelvin e Fahrenheit:

32 2.2 Temperatura

33 2.2 Temperatura

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43 2.3 Pressão e Volume Unidade de pressão (Sistema Internacional): Pascal (Pa), sendo 1 Pa = 1 N/m 2 porque p = força (N) / área (m 2 ) Unidade de volume (Sistema Internacional): Metro cúbico (m 3 ), sendo 1 m 3 = 1000 dm 3 = 1000 L. Os valores destas variáveis de estado são importantes para caracterizar o estado termodinâmico de um gás.

44 2.3 Pressão e Volume Quando o volume de um gás diminui, o nº de choques das partículas e a pressão aumentam. A temperatura também aumenta porque a agitação das partículas (velocidade) aumenta. Simulação para variar o volume que uma partícula ocupa e verificar o que acontece aos valores da pressão e da temperatura:

45 2.4 Energia Interna Energia interna de um sistema (U) Soma de todas as energias cinéticas e energias potenciais das partículas que constituem o sistema. Energia cinética Energia do movimento das partículas. Energia potencial Energia armazenada nas partículas. Quanto maior for a energia interna de um corpo, maior é a sua temperatura.

46 2.4 Energia Interna Dois corpos com a mesma temperatura podem ter energias internas diferentes, porque a energia interna depende da massa do corpo. A energia interna de A é superior à energia interna de B, porque A possui maior massa e mais moléculas em agitação.

47 Exemplo: líquido num recipiente Energia potencial gravítica, mgh Energia cinética de rotação das pás Energia interna das moléculas de água

48 2.4 Energia Interna Quando dois corpos a temperaturas diferentes são postos em contacto há uma transferência de energia na forma de calor, do corpo à temperatura mais elevada para o corpo à temperatura mais baixa. Enquanto esta transferência de energia ocorre, a energia interna do sistema à temperatura mais elevada diminui e a energia interna do sistema à temperatura mais baixa aumenta, até que seja atingido o equilíbrio térmico (ficam com a mesma temperatura).

49 2.4 Energia Interna A variação da energia interna de um sistema também pode ser devida à realização de trabalho. O trabalho mede a quantidade de energia transferida entre sistemas devido à ação de forças que provocam o deslocamento do corpo onde estão aplicadas.

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