Energia Térmica: 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica Aulas 25 e 26

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1 Energia Térmica: 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica Aulas 25 e 26 19/05/2017 IFSP PTB / Téc. em Logística Int. ao Ensino Médio / 1ª série / Física Prof. Renato Pugliese

2 Como fornecer energia para o interior de um sistema? Há duas maneiras: 1. Realizando Trabalho (τ) Aplicando uma força (F) de compressão, que pode ser gravitacional, elétrica ou magnética; 2. Trocando calor (Q) Por condução, convecção ou irradiação (ver aulas 7 e 8).

3 O que acontece quando se fornece energia para o interior de um sistema? Aumenta sua quantidade de Energia Interna (U) Da forma: ΔU = Q τ Esta é a 1ª Lei da Termodinâmica! A energia interna (U) de um sistema varia de acordo com o calor (Q) recebido pelo sistema e com o trabalho (τ) que ele realiza sobre o entorno. A energia total se conserva! Obs.: Até quando a energia se conservará? Sobre verdades e verdades.

4 Exemplos conceituais 1. Panela de pressão Ao acender o fogo no fogão, com a panela de pressão tampada, o sistema (panela + produtos internos) recebe energia na forma de calor (Q) e aumenta gradativamente sua energia interna (U). Quando a energia interna atinge um ponto eficiente para o cozimento dos alimentos, o sistema começa a realizar trabalho (τ) empurrando o pino da panela para cima e deslocando gases (ar) ao redor da panela. Assim, mantém a energia interna constante (em valor definido pelo fabricante, com temperatura da ordem de 120 ºC), facilitando o cozimento. - Ver p. 73 e 74 da coleção Quanta Física (1ª série).

5 - Ver p. 86 da coleção Quanta Física. Exemplos conceituais 2. Motores de automóveis A combustão da gasolina (ou do álcool, do diesel...) gera um gás (CO2, CO, NO...) com muita Energia Interna (muito quente, a cerca de 500 º C de temperatura). Esse gás realiza Trabalho (τ) empurrando os pistões do motor para baixo e movimentando o carro. Esse mesmo gás também fornece calor (Q) para todo o bloco de metal do motor. Desse modo sua Energia Interna diminui bastante, e ele é expelido pelo escapamento do veículo bem mais frio (a cerca de 80º C de temperatura)

6 3D movie how a car engine works: v=4w_nrhxekay Exemplos conceituais 2. Motores de automóveis

7 Exemplos conceituais 3. Usinas termelétricas ou termonucleares Uma fonte de calor (combustível como carvão ou reatores nucleares) faz uma piscina de água (caldeira) evaporar. O vapor de água é canalizado e movimenta turbinas. As turbinas movimentam geradores elétricos. - Ver p. 82, 83 e 89 da coleção Quanta Física.

8 Exemplos conceituais 3. Usinas termelétricas ou termonucleares Veja a evolução da geração elétrica de todas as termelétricas administradas pela Petrobrás: Ano MW (médio/dia) Usina Piratininga:

9 Exemplos conceituais 3. Usinas termelétricas ou termonucleares Angra 1, 2 e 3 Usinas termonucleares brasileiras A Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (CNAAA) conta com duas usinas em operação. A primeira é Angra 1, que entrou em operação comercial em 1985 e tem potência de 640 megawatts. A outra é Angra 2, que começou a operar em 2001 e cuja potência é de megawatts. Para os próximos anos, está prevista a entrada em operação de Angra 3, de megawatts. Complexo Angra 1 e 2:

10 E toda a energia térmica pode ser convertida em mecânica nas máquinas térmicas? De acordo com a 1ª Lei da termodinâmica, temos: ΔU = Q τ Assim, se não variar a energia interna de um sistema em algum processo, todo o calor parece poder se transformar em trabalho, veja: Se ΔU = 0 Q = τ Mas não é bem assim que acontece.

11 Máquinas térmicas Energia mecânica pode ser convertida totalmente em energia térmica, por exemplo, quando se atritam dois corpos. O contrário não é possível: quando se usa a energia térmica para produzir energia mecânica (movimento, expansão, deslocamento...), parte da energia térmica é absorvida pelo ambiente ao redor. Há degradação ou dissipação de energia! Qq = τ + Qf O calor gerado pela fonte quente (Qq) é convertido, em parte, em trabalho (τ) e é degradado, em parte, para o ambiente mais frio (Qf). Não há como evitar essa degradação! Essa é a 2ª Lei da Termodinâmica!

12 Refrigeradores E se for preciso retirar calor de um sistema? A natureza desloca energia térmica de um corpo quente para um corpo frio. Se quisermos fazer o processo contrário (do frio para o quente), precisamos fazer trabalho, da forma que: Qf + τ = Qq O trabalho realizado (τ) para retirar calor de um corpo frio (Qf) é somado a este como energia e liberado para o ambiente, mais quente, na forma de calor (Qq). Não há como o calor passar espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente! Essa é a 2ª Lei da Termodinâmica (vista de outro modo)!

13 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica - Resumo 1ª Lei (conservação da energia): - A energia interna (U) de um sistema varia se ele trocar calor (Q) ou realizar/receber trabalho (τ) ΔU = Q τ 2ª Lei (degradação de energia): - Não há como uma máquina térmica transformar calor de uma fonte quente (Qq) integralmente em trabalho (τ), sem perder calor para o ambiente (Qf) Qq = τ + Qf - Só é possível levar calor de um corpo frio (Qf) para um corpo quente (Qq) se algum agente externo realizar trabalho (τ) Qf + τ = Qq