3ª Aula do cap. 19 Primeira Lei da Termodinâmica

Transcrição

1 3ª Aula do cap. 19 Primeira Lei da Termodinâmica AT - Antes da termodinâmica. A máquina de Denis Papin Roda d água - forma mais eficiente de geração da energia antes do calor.

2 Máquina de Newcomen TERMODINÂMICA - Origem e resultado da revolução industrial

3 James Watt Engenheiro, mecânico, inventor da moderna máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. Aos 19 anos foi para Londres fazer aprendizado de mecânico especializado na construção de instrumentos. Por problemas de saúde teve que voltar para Glasgow (1756) sem conseguir o certificado do curso. Porém consegui ser escolhido e foi contratado como aprendiz de mecânico para o serviço de manutenção de instrumentos científicos da Universidade de Glasgow (1757).

4 No inverno de , o James Watt foi chamada para consertar um modelo da máquina de Newcomen, existente na Universidade de Glasgow. Percebeu que a necessidade de reaquecer o cilindro - reduzia o rendimento

5 Watt criou o condensador - compartimento destinado ao resfriamento do vapor Dispositivo precursor dos motores modernos. Watt inventou e patenteou o dispositivo que transforma o vaivém do êmbolo em movimento rotativo.

6 O núcleo e a origem da máquina térmica é o cilindro, fluido e o êmbolo. Termodinâmica é a ciência que trata: do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinâmicos

7 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 / massa com a sua vizinhança.

8 Transformação Termodinâmica Estado inicial e Estado final W = trabalho referente ao deslocamento do êmbolo. Variáveis de estado Altura do êmbolo h final é mantido graças o acréscimo de U interna que dá ao gás a pressão necessária para manter o êmbolo na posição final. Variáveis de estado P 1 V 1 T 1 U 1 Transformação P 2 V 2 T 2 U 2 Estado 1 Estado 2 Variáveis de estado pressão, volume, temperatura e energia interna Variáveis de transferência trabalho e calor

9 P 1 V 1 T 1 U 1 Processos Isotérmico Isobárico Isovolumétrico Adiabático Processos Termodinâmicos Caminho descrito pelo sistema na transformação. temperatura constante Pressão constante volume constante Durante a transformação É nula a troca de calor com a vizinhança. P 2 V 2 T 2 U 2 Quando um sistema é submetido a uma mudança infinitesimal em seu estado, tal que uma pequena quantidade de energia dq transferida pelo calor e uma pequena quantidade de trabalho dw realizado pelo sistema, a energia interna também varia de uma quantidade pequena du ΔU = dq dw

10 1 a Lei da Termodinâmica Princípio de Conservação da energia aplicado a 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 Q > 0, Q é + quando o sistema recebe calor Q < 0, Q é - quando o sistema fornece calor W > 0, W + quando realizado pelo sistema. W < 0, W - quando realizado sobre o sistema. 1 a Lei Q = W + ΔU Num sistema isolado a energia total permanece constante.

11 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.

12 = A O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo? U = Q - W W = F.d F = Pressão. Área. W = P.A.d W = P.ΔV V = V 2 -V 1 W depende de como a pressão e volume mudam no processo.

13 Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 P 1 Como as variáveis de estado se relacionam? 1 V 1 T 1 n o de moles Equação de estado P 1 V 1 = nrt 1 R = Constante dos gases R = 8,31 J/mol.K ou 0,0820 L atm K -1 mol -1

14 Diagramas P x V Gases ideais O trabalho realizado pelo gás depende da trajetória seguida entre os estados inicial e final W 2 W 3 W 1 W = P ( ) f V f V ( ) 1 i W = P i V f V i V f 2 W 3 = V Para determinar o trabalho W 3 é preciso conhecer a função P(V) i PdV W < 1 < W3 W2

15 Quantidade de calor absorvida por um gás numa transformação termodinâmica. A quantidade de calor Q é diretamente relacionada com a variação da energia interna do do gás/temperatura. Gás aquecido a volume constante. Gás aquecido a pressão constante. O calor específico mede uma espécie de inércia do corpo à variação de temperatura.

16 A mesma quantidade de calor Q fornece resultados diferentes - A Temperatura aumenta rapidamente quando o volume é mantido constante. Gás aquecido a volume constante. Gás aquecido a pressão constante. O calor específico mede uma espécie de inércia do corpo à variação de temperatura. Para gases: calor específico a volume constante e calor específico a pressão constante.

17 Gás aquecido a volume constante. Q ΔT Gás aquecido a pressão constante. Q ΔT O calor específico de um gás deve ser menor a volume constante que o calor específico deste gás a pressão constante. A volume constante a temperatura varia mais facilmente.

18 Gás aquecido a volume constante. Q ΔT Gás aquecido a pressão constante. Q ΔT Q V = n c V ΔT Q P = n c P ΔT c V = calor específico de um gás a volume constante. c P = calor específico de um gás a pressão constante. calor específico de um gás a volume constante < calor específico deste gás a pressão constante.

19 Calor específico molar c V e c P

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

21 Processo isobárico Transformação a pressão constante Q = + n C P (T B -T A ) calor específico molar a pressão constante W = P [V B -V A ] 1ª Lei da Termodinâmica ΔU = Q - W

22 Processo isotérmico Temperatura é constante T i = T f ΔU = 0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica ΔU = Q W 0 = Q W W = Q Isoterma A energia que entra no gás por meio do trabalho sai do gás por meio do calor, de modo que a energia interna permanece fixa PV = W V nrt P = nrt V f f f nrt 1 = PdV = dv = nrt V V V nrt i V V ( ln ) i V V i dv V f lnv f V i ou W = nrt ln Vi = Êmbolo movimentado lentamente nrtlnv V V i f =

23 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 gráfico Compressão adiabática Trabalho transforma-se em calor

24 Processos cíclicos Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinas térmicas. 1.- U ciclo = Σ U = 0 pois T final = T inicial 2.- Q ciclo = ΣQ 3.- W ciclo = ΣW = 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

25 Alguns ilustres pesquisadores da termodinâmica Sadi Carnot James Joule Emile Claupeyron Wiliam Thomson Lord Kelvin Rudolf Clausius Alguns slides desta aula utilizam com referência:furukawa IFUSP e Yamamura - FUNDUNESP