TERMODINÂMICA. Módulo 6 1ª Lei da Termodinâmica Módulo 7 2ª Lei da Termodinâmica

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1 TERMODINÂMICA Módulo 6 1ª Lei da Termodinâmica Módulo 7 ª Lei da Termodinâmica

2 1) Trabalho de um gás () p F A Para F = cte: F p. A F d cos F = cte. p Ad V Variação de Volume d V Ad p = cte. p V Para p = cte.

3 1) Trabalho de um gás () N/m = Pa Joule p V m 3 p V Expansão: V > 0 > 0 O gás realiza Trabalho sobre o meio Compressão: V < 0 < 0 O meio realiza Trabalho sobre o gás. Unidades de Trabalho do gás: J (Joule) (S.I.); atm.l 10 J. Transformação Isocórica: V = cte. = 0 O gás não realiza Trabalho.

4 1) Trabalho de um gás () Para pressão variável: N Área Gráfico p x V Expansão: V > 0 > 0 (+) Compressão: V < 0 < 0 (-)

5 ) Variação de Energia Interna (U) A energia interna de um gás ideal é a soma de todas as formas de energias intrínsecas ao gás. 3 U E nrt c 3 pv Gás monoatômico (Energia interna associada à translação da molécula) 5 5 Gás diatômico U nrt pv

6 ) Variação de Energia Interna (U) Se há variação de Temperatura: T U U 3 Gás monoatômico nrt Transformação Isotérmica: T = cte. U 5 nrt Gás diatômico T = 0 U = 0

7 3) Primeira Lei da Termodinâmica Sistema U U U U

8 3) Primeira Lei da Termodinâmica Isotérmica: T = 0 U = 0 = U Isocórica: V = 0 = 0 = U Adiabática: = 0 = -U Isobárica: = - U

9 1ª Lei e as Transformações Gasosas 1) Transformação Isocórica (V=cte) 1ª Lei da Termodinâmica: U 0 V U V = cte. U V 0

10 1ª Lei e as Transformações Gasosas 1) Transformação Isocórica (V=cte) U V = cte. 0 m n M m nm CV Mc V Calor Molar à Volume Constante 0 mc V mc V T 3 T nrt 3 nrt 3 nmc V T nrt 3 Mc V R Gás Monoatômico 3 C V R (Monoatômico)

11 1ª Lei e as Transformações Gasosas 1) Transformação Isocórica Calor Molar à Volume Constante de um Gás ideal MONOATÔMICO: 3 C V R Unidade: J/mol.K (SI) Calor Molar à Volume Constante de um Gás ideal DIATÔMICO: 5 C V R

12 Resumo: ISOCÓRICA V U 0 ncvt U 3 nrt (Monoatômico) V = cte. 3 C V R 5 C V R (Monoatômico) (Diatômico) 5 U nrt (Diatômico)

13 1ª Lei e as Transformações Gasosas ) Transformação Isobárica (p=cte) 1ª Lei da Termodinâmica: P U p = cte.

14 1ª Lei e as Transformações Gasosas ) Transformação Isobárica (p=cte) P U pv mc P T mc P T pv 3 nrt 3 nrt Gás Monoatômico pv nrt pv nrt

15 1ª Lei e as Transformações Gasosas ) Transformação Isobárica U CP Mc P m n M m nm Calor Molar à Pressão Constante pv mc mc mc mc nmc Mc P P P P T T nrt T P P pv 5 T 5 R T 3 3 nrt 5 nrt nrt nrt 3 nrt 5 C P R (Monoatômico)

16 1ª Lei e as Transformações Gasosas ) Transformação Isobárica Calor Molar à Pressão Constante de um Gás ideal MONOATÔMICO: 5 C P R Unidade: J/mol.K (SI) Calor Molar à Pressão Constante de um Gás ideal DIATÔMICO: 7 C P R

17 Resumo: ISOBÁRICA P U p = cte. pv ncpt U 3 nrt (Monoatômico) 5 C P R 7 C p R (Monoatômico) (Diatômico) 5 U nrt (Diatômico)

18 1ª Lei e as Transformações Gasosas C P C V C P -C V Monoatômico 5R/ 3R/ R Diatômico 7R/ 5R/ R C Relação de Mayer: P C V R

19 1ª Lei e as Transformações Gasosas 3) Transformação Cíclica A int + (Ciclo ABCDA) Ciclo N + A interna Ciclo Horário: ciclo > 0 (+) - Ciclo Anti- Horário: ciclo < 0 (-)

20 1ª Lei e as Transformações Gasosas 3) Transformação Cíclica Ciclo AB BC CD DA N A interna A int Ciclo AB BC CD DA (Ciclo ABCDA) U Ciclo 0 U Ciclo U 1ª Lei da Termodinâmica: AB U BC U CD Ciclo U DA Ciclo 0 U Ciclo Ciclo Ciclo

21 1ª Lei e as Transformações Gasosas 4) Transformação Adiabática ( = 0) Não há trocas de calor entre o gás e o meio externo: = 0 1ª Lei da Termodinâmica: U U

22 1ª Lei e as Transformações Gasosas 4) Transformação Adiabática ( = 0) Expansão Adiabática U Expansão V V > 0: > 0 T T < 0: U < 0

23 1ª Lei e as Transformações Gasosas 4) Transformação Adiabática ( = 0) Compressão Adiabática U Compressão V V < 0: < 0 T T > 0: U > 0

24 1ª Lei e as Transformações Gasosas 4) Transformação Adiabática ( = 0) pv cte Equação de Poisson (Adiabática) p V p V 1 1 C C P V (monoatômico) (diatômico)

25 1ª Lei e as Transformações Gasosas C P C V C P -C V γ = C P /C V Monoatômico 5R/ 3R/ R 5/3 Diatômico 7R/ 5R/ R 7/5

26 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁUINAS TÉRMICAS Poder calorífico do combustível Rendimento (η) Ciclo termodinâmico de transformações

27 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁUINAS TÉRMICAS Poder calorífico Máquinas Térmicas Combustível Poder calorífico (kcal/kg) Gasolina Óleo Diesel álcool 6500 Gás liquefeito gás natural Máquina a vapor simples (Locomotivas) turbinas a vapor (usinas termelétricas) motores a gasolina (automóvel) motores a diesel (fábricas e locomotivas) Rendimento (%) 6 a 8 16 a 30 a 8 3 a 38

28 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁUINAS TÉRMICAS

29 (IFSul 016) Durante cada ciclo, uma máquina térmica absorve 500 J de calor de um reservatório térmico, realiza trabalho e rejeita 40 J para um reservatório frio. Para cada ciclo, o trabalho realizado e o rendimento da máquina térmica são, respectivamente, iguais a a) 80 J e 16% b) 40 J e 8% c) 40 J e 84% d) 80 J e 84% J , % 16

30 ENERGIA E AS MÁUINAS TÉRMICAS ª Lei da Termodinâmica: 100% Ciclo ideal: Ciclo de Carnot (η máx )

31 Enem 011 Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. uando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 009 (adaptado). De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a a) liberação de calor dentro do motor ser impossível. b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível. d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível. e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

32 Ciclo de Carnot 1 A B: Expansão Isotérmica (T = cte: U = 0) AB = AB + U AB AB = AB > 0 Etapa do ciclo que a máquina recebe calor da fonte quente. T 1 : Temp. Fonte uente T : Temp. Fonte Fria B C: Expansão Adiabática ( = 0) BC = BC + U BC BC = -U BC V BC > 0 T U BC < 0 Etapa do ciclo que o gás é resfriado até a temperatura da fonte fria T.

33 Ciclo de Carnot 1 T 1 : Temp. Fonte uente T : Temp. Fonte Fria C D: Compressão Isotérmica (T = cte: U = 0) CD = CD + U CD CD = CD < 0 Etapa do ciclo que a máquina rejeita calor da fonte fria. D A: Compressão Adiabática ( = 0) DA = DA + U DA DA = -U DA V DA < 0 T U DA > 0 Etapa do ciclo que o gás é aquecido retornando até a temperatura da fonte quente T 1.

34 Ciclo de Carnot T 1 : Temp. Fonte uente T : Temp. Fonte Fria Para o Ciclo de Carnot, é possível demonstrar que: 1 T T 1

35 Ciclo de Carnot T 1 : Temp. Fonte uente T : Temp. Fonte Fria 1 1 Carnot T 1 T 1

36 Ciclo de Carnot 1 T T 1 máx T 1 T 1

37 Ciclo de Carnot T 1 : Temp. Fonte uente T : Temp. Fonte Fria máx T 1 T 1 Para η=100% T = 0 K

38 (UFPR 017) Uma máquina térmica teórica ideal teve um dimensionamento tal que, a cada ciclo, ela realizaria trabalho de 50 cal e cederia 150 cal para a fonte fria. A temperatura prevista para a fonte quente seria de 17 C. Determine: a) O rendimento dessa máquina térmica. b) A temperatura prevista para a fonte fria, em graus Celsius ,5 00J 1 5%

39 (UFPR 017) Uma máquina térmica teórica ideal teve um dimensionamento tal que, a cada ciclo, ela realizaria trabalho de 50 cal e cederia 150 cal para a fonte fria. A temperatura prevista para a fonte quente seria de 17 C. Determine: a) O rendimento dessa máquina térmica. b) A temperatura prevista para a fonte fria, em graus Celsius. T K 1 Ciclo de Carnot: T T 1 T T 150 T 300K T C 7

40 Fonte Fria Fonte uente Refrigerador (Máquina Frigorífica) 1 1

41 Refrigerador (Máquina Frigorífica) MÁUINA TÉRMICA > 0 Ciclo Horário REFRIGERADOR < 0 Ciclo Anti-Horário

42 Refrigerador (Máquina Frigorífica)

43 Fonte Fria Fonte uente Refrigerador (Máquina Frigorífica) Eficiência de um refrigerador: 1 e 1 1 e 1

44 Refrigerador (Máquina Frigorífica) Ciclo de Carnot: 1 T T 1 Máxima Eficiência: CICLO DE CARNOT e 1 Ciclo de Carnot no sentido anti-horário. e máx T 1 T T

45 Considere uma geladeira ideal cujo compressor tenha potência útil igual a 5,0 k. Se, durante cada minuto de funcionamento desse compressor, o radiador (serpentina traseira) transfere para o meio ambiente 4, J de energia térmica, a eficiência do refrigerador é igual a: a) 33%. b) 50%. c) 67%. d) 75%. e) 100%.

46 J 1 5 4,510 3,0 10 1, J e e 1,510 3, e 50%

47 Considere uma geladeira ideal cujo compressor tenha potência útil igual a 5,0 k. Se, durante cada minuto de funcionamento desse compressor, o radiador (serpentina traseira) transfere para o meio ambiente 4, J de energia térmica, a eficiência do refrigerador é igual a: a) 33%. b) 50%. c) 67%. d) 75%. e) 100%.