Curso de Engenharia Civil

Transcrição

1 Curso de Engenharia Civil Física Geral e Experimental II 2 período A e B Calorimetria e Termodinâmica Prof.a Érica Muniz

2 Capacidade térmica de um corpo: Capacidade térmica de um corpo é a grandeza que expressa a quantidade de calor que determinado corpo necessita para sofrer uma unidade de variação de temperatura: Para calcularmos a capacidade térmica de um corpo fazemos: C Q Quantidade de calor dada ou retirada de um corpo Variação de temperatura sofrida pelo corpo

3 EX.1 Um bloco metálico recebe 2000 calorias, a temperatura aumenta de 20 C para 420 C. Determine a capacidade térmica do bloco. RESOLUÇÃO: SABEMOS QUE : C = Q/ΔT C = 2000 / 400 Temos: C = 5 cal/ C Isso significa que: O corpo deve receber 5 calorias para que sua temperatura aumente de 1 C. FIQUE LIGADO!!!! CAPACIDADE TÉRMICA : UNIDADE: SI : J / K

4 Calor específico sensível de uma substância É a quantidade de calor que uma unidade de massa de uma substância necessita, para sofrer uma unidade de variação de temperatura. Calculamos o calor específico sensível de uma substância, fazendo: c. m Q Quantidade de calor Massa vezes variação de temperatura

5 CALOR ESPECÍFICO ( c ) : É uma característica do material que constitui o corpo: c = C/m UNIDADE: S.I. : ( J/kg.K ) Veja alguns exemplos: O mais usual é : cal/g C água: c = 1 cal/g C latão: c = 0,092 cal/g C prata: c = 0,056 cal/g C

6 FIQUE LIGADO!!!!! CAPACIDADE TÉRMICA ( C ) Depende da massa e da substância CALOR ESPECÍFICO ( c ) Depende apenas da substância

7 Mudanças de Fase

8 CLASSIFICAÇÃO DO CALOR: Calor Sensível: produz variação de temperatura. Ex: uma barra de alumínio sendo aquecida. Calor Latente: produz mudança de estado. Ex: derretimento de uma barra de gelo, inicialmente a 0 C

9 EQUAÇÃO GERAL DA CALORIMETRIA Q= m.c.δt Onde: Q = quantidade de calor m= massa c = calor específico sensível Δθ = variação de temperatura

10 Assim, para a equação do calor latente precisamos apenas da massa do corpo e da sua substância. Derreter gelo é diferente de derreter ouro, certo? Ficamos com a seguinte fórmula para o calor Latente:

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12 EX: 2 Um bloco de alumínio com 600g de massa deve ser aquecido de 10 C para150 C. Sendo de 0,22 cal/g C o calor específico do alumínio, calcule: a) A quantidade de calor que o bloco deve receber. b) A sua capacidade térmica RESOLUÇÃO: a) Q = mcδt Q = , Q = cal b) C = mc C = ,22 C = 132 cal/ C

13 Potência Calorífica Pot = Q/Δt UNIDADE: Pot : S.I. : J/s = W ( Watts ) o mais usual: cal/s Sendo : Pot = potência Δt = tempo Obs: W 4,2 cal/s

14 Exemplo

15 TROCAS DE CALOR Dois ou mais corpos, com temperaturas diferentes, quando colocados num calorímetro, trocam calor entre si até atingirem o equilíbrio térmico. LEI GERAL DAS TROCAS DE CALOR Q 1 + Q 2 + Q 3 + = 0

16 EXEMPLO: Areco, um marido prendado, resolveu servir café da manhã na cama para sua esposa; assim, misturou 300ml de café a temperatura inicial de 80 0 C com 100ml de leite inicialmente a 20 0 C, podemos afirmar, antes que Areco ganhe o prêmio de maridão do ano, que a temperatura final da mistura será igual a? Dados : c café = c leite = 1 cal/g 0 C

17 Termodinâmica é a ciência que trata do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinâmicos

18 Sistema Isolado a fronteira não permite qualquer interação com a vizinhança, isto é, não há troca de massa ou de calor ( energia térmica). Fechado a fronteira não permite troca de massa, mas permite troca de energia com a vizinhança. Aberto a fronteira permite troca de massa e de energia com a vizinhança.

19 Para entender melhor a 1 a Lei de Termodinâmica é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos percorridos pelo calor...

20 Sistema Termodinâmico Certa massa delimitada por uma fronteira. Sistema fechado Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema isolado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

21 Transformação Variáveis de estado P 1 V 1 T 1 U 1 Variáveis de estado P 2 V 2 T 2 U 2 Estado 1 Transformação Estado 2

22 Processos P 1 V 1 T 1 U 1 Caminho descrito pelo sistema na transformação. P 2 V 2 T 2 U 2 Processos Isotérmico Isobárico Isovolumétrico Adiabático Durante a transformação temperatura invariável Pressão invariável volume constante É nula a troca de calor com a vizinhança.

23 Transformações 1 a Lei da Termodinâmica Sistema Fechado W > 0 energia que sai do sistema W < 0 energia que entra no sistema Q > 0 calor que entra no sistema Q < 0 calor que sai do sistema ΔU = U 2 U 1 Variação Energia Interna 1 a Lei Q = W + ΔU

24 Variação da Energia Interna U = Q - W Gás Expansão nula W = 0 Δ U = Q = (mc) gás ΔT ΔT = 0 ΔU = 0 ΔT > 0 ΔU > 0 ΔT < 0 ΔU < 0 Como (mc) gás = ctc ΔU depende apenas de ΔT. Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo. A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

25 O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

26 O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo? U = Q - W W = F.d W = Pr.S.d F = Pr.S. W depende de como a pressão e volume mudam no processo. W = Pr.ΔV V = V 2 -V 1

27 Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 P 1 1 Como as variáveis de estado se relacionam? V 1 T 1 n o de moles Equação de estado P 1 V 1 = nrt 1 Constante dos gases R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.k

28 Processo isovolumétrico Transformação a volume constante Q = n C V (T 2 -T 1 ) Calor específico molar a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica U = Q - W Transformação de 1 2 W = 0 V = 0 Volume invariável Isovolumétrica U = Q = n C V (T 2 -T 1 )

29 Processo isobárico Transformação a pressão constante calor específico molar a pressão constante Q = + n C P (T B - T A ) W = P o [V B -V A ] U = n C v (T B -T A ) Calor específico a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica U = Q - W

30 Processo Isotérmico Transformação à temperatura constante U = 0 T=0 Êmbolo movimentado lentamente 0 = Q W Q = W

31 Processo adiabático Transformação sem troca de calor Movimento rápido do êmbolo. Q = 0 Q = 0 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Primeira Lei da Termodinâmica U = Q - W Q = 0 U= - W W = - U = - nc v T W Área sob o grafico Compressão adiabática Trabalho transforma-se em calor

32 Processos cíclicos 1.- U ciclo = U = 0 pois T final = T inicial 2.- Q ciclo = Q 3.- W ciclo = W = área a Lei da Termodinâmica U ciclo = Q ciclo - W ciclo Q ciclo = W ciclo W ciclo > 0 Q ciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama P V : horário. O sistema recebe Q e entrega W

33 Máquinas Térmicas Trabalham em ciclos.

34 Transformações máquinas térmicas - Diagrama PV

35 Eficiência térmica: 1ªLei Em cada ciclo U = 0 W = Q 1 -Q 2 Eficiência = W/Q 1 = (Q 1 -Q 2 )/Q 1 ε = [1 Q 2 /Q 1 ]

36 Ciclo Refrigerador Bomba de calor Refrigerador 12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

37 2 a Lei da Termodinâmica Entropia 1 a Lei da Termodinâmica A energia total do Universo, com ou sem transformações, permanece constante. 2 a Lei da Termodinâmica A disponibilidade de energia para realização de trabalho diminui após cada transformação

38 Refrigerador ou Bomba de Calor Segunda Lei Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclo termodinâmico, não produza outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para outro quente.

39 Máquinas Térmicas W = W 2 W 1 ε = W/Q 1 = [1 - T 2 /T 1 ] < 1 2 a Lei Termodinâmica Formulação de Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ou seja uma máquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em trabalho.

40 Segunda Lei Termodinâmica Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. Formulação Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ambas são afirmações negativas. Não podem ser demonstradas. Baseiam-se em evidências experimentais. A 2 a Lei enuncia a impossibilidade de construção de moto perpétuo de 2 a espécie. Moto Perpétuo 1 a Espécie: criaria trabalho do nada. Viola a 1 a Lei. 2 a Espécie: viola a 2 a Lei 3 a Espécie: inexistência de atrito produziria movimento eterno sem realização de trabalho

41 Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica? ε = [1 Q 2 /Q 1 ] Q 1 0 ε 1 É possível construir esta máquina? ε 100%

42 Máquinas Térmicas 100% de rendimento? Impossível! Qual o máximo rendimento de uma Máquina Térmica?

43 A construção de uma máquina ideal Definição de um processo ideal. Processo reversível. Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem deixar vestígios no sistema e no meio circundante. Processo reversível: desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

44 Causas que tornam um processo irreversível. Atrito Expansão não resistida. Mistura de 2 substâncias diferentes. Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, Histerese, etc. Troca de calor com diferença finita de temperatura. O processo de troca de calor pode ser reversível se for feita mediante diferença infinitesimal de temperatura, mas que exige tempo infinito ou área infinita. Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

45 A máquina ideal de Carnot Ciclo reversível A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: U=0 W = Q 1 - Q 2 ε = W/Q 1 = [Q 1 -Q 2 ]/Q 1 = 1 - Q 2 /Q 1 BC e DA = adiabáticas Q 2 /Q 1 = T 2 /T 1 ε = (1 - Q 2 /Q 1 ) = (1 - T 2 /T 1 ) ε = 1 - T 2 /T 1 Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T 1 e T 2, pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"

46 Entropia Rudolf Clausius Nasceu em Koslin (Polônia) e morreu em Bonn (Alemanha) Físico Teórico - Termodinâmica Apresentou em 1865 a sua versão para as 1 a e 2 a Leis da Termodinâmica. 1.- A energia do Universo é constante. 2.- A entropia do Universo tende a uma valor máximo. A quantificação da 2 a Lei

47 Entropia e a desordem Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta. S = Q T 0 Aumenta a EC e/ou a agitação molecular Aumenta a desordem A entropia é a medida da desordem ΔS = Q/T < 0 a desordem diminui.

48 Ordem e Energia - Sistemas Biológicos Entropia 2a Lei Evolução natural Ordem Desordem Como os sistemas biológicos se desenvolvem e mantém alto grau de ordem? É uma violação da 2 a Lei? Ordem pode ser obtida as custas de energia A fotosíntese converte energia solar em energia potencial nas moléculas de glucose com de alta ordem de organização. Nos animais Celulas Mitocondria armazenam moléculas de açucar para formar moléculas altamente ordenadas e estruturadass.