Termodinâmica 3. Alexandre Diehl. Departamento de Física - UFPel

Transcrição

1 Termodinâmica 3 Alexandre Diehl Departamento de Física - UFPel

2 Calor como forma de energia Joseph Black ( ) Temperatura e calor são grandezas diferentes. A temperatura é uma medida da intensidade do calor de um corpo. O calor é uma substância material, com propriedades quase mágicas, que está contido nos corpos. Dois corpos em contato térmico trocam calor entre si, até que o equilíbrio térmico seja atingido numa temperatura intermediária. TERMO 2

3 Calor como forma de energia Joseph Black ( ) A unidade de calor pode ser definida como a quantidade necessária para aumentar 1 libra de água em 1 grau Fahrenheit. Definiu a chamada capacidade térmica de um corpo. O calor específico de um material só viria a ser proposto, de forma incompleta, em 1772 por Johan Carl Wilcke. 1761: Definiu o calor latente trocado numa transformação de fase. TERMO 3

4 Calor como forma de energia Antonie Lavosier ( ) Confirma e existência do oxigênio, sugerida por Scheele (1772) e Priestley (1774), e com isso refuta a teoria do flogístico. 1783: Introduz o termo calórico, como significado para a matéria do calor. 1783: Juntamente com Pierre-Simon Laplace, formula o conceito moderno de calor específico. TERMO 4

5 Calor como forma de energia Antonie Lavosier ( ) 1789: formula o princípio de conservação da matéria. 1789: Construtor do primeiro calorímetro. Inicia-se o estudo da chamada calorimetria. TERMO 5

6 Calor como forma de energia Antonie Lavosier e Pierre-Simon Laplace (1783) Os Físicos estão divididos quanto à natureza do calor; uns pensam que se trata de um fluido... que penetra mais ou menos nos corpos conforme a sua temperatura e a sua disposição particular para o reter;... outros pensam que o calor não é mais que o resultado dos movimentos insensíveis das moléculas da matéria... não escolheremos entre as duas hipóteses precedentes... talvez elas se verifiquem ambas. TERMO 6

7 Calor como forma de energia Benjamin Thompson (conde Rumford) ( ) 1798: calor como movimento, a partir da primeira tentativa de medir um equivalente calorífico da fricção. O que é o calor? Ele não pode ser uma substância material. Parece difícil, senão impossível para mim, imaginar o calor como sendo outra coisa que não aquilo que é fornecido a um pedaço de metal num experimento (perfuração de canhões) de forma contínua, a medida que calor é produzido, ou seja, movimento. A ideia não foi bem aceita naquele período. TERMO 7

8 Calor como forma de energia Julius Robert Mayer ( ) 1841: enuncia um princípio de conservação da energia: Quando uma quantidade de energia de qualquer natureza desaparece numa transformação, então produz-se uma quantidade igual em grandeza duma energia de outra natureza. Propõe a equivalência entre calor e energia (e sua conservação). Sugere uma equivalência entre calor e trabalho, entretanto, sem a provar de forma sistemática. TERMO 8

9 Calor como forma de energia James Prescott Joule ( ) 1841: estudando o calor liberado pela passagem de corrente elétrica num fio condutor, enuncia a lei de Joule: Tempo Resistência do fio Intensidade de corrente elétrica Calor liberado pelo condutor TERMO 9

10 Calor como forma de energia James Prescott Joule ( ) 1850: experimento capaz de mostrar a equivalência entre calor e trabalho mecânico. A quantidade de trabalho mecânico, equivalente à quantidade de calor gerado por fricção, necessário para aumentar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius é igual a J. 1 cal = J TERMO 10

11 O trabalho só pode ser definido para processos quase-estáticos. Trabalho positivo: o trabalho é feito pelo sistema Trabalho negativo: o trabalho é feito sobre o sistema. Trabalho infinitesimal numa expansão de um gás Diferencial não-exata TERMO 11

12 O trabalho macroscópico é calculado a partir da definição do processo termodinâmico. A diferencial processo. é dita não-exata porque o cálculo do trabalho depende do c a b Como calcular o trabalho entre os pontos de i e f? Os processos a, b e c entre i e f produzirão o mesmo valor para o trabalho? TERMO 12

13 Diferencial não-exata 2 b j Caminho i a f : 1 i a 1 2 TERMO 13

14 Diferencial não-exata 2 b j Caminho i b f : 1 i a 1 2 TERMO 14

15 Fator integrante de um diferencial não-exata 2 1 i b 1 2 j a Podemos transformar uma diferencial não-exata numa diferencial exata, usando o conceito de fator integrante: Sempre que a multiplicação por um fator qualquer transforma uma diferencial não-exata numa diferencial exata (cuja integração não depende do caminho de integração), então este fator é dito integrante para a diferencial não-exata. TERMO 15

16 Fator integrante de um diferencial não-exata 2 b j Caminho i a f : 1 i a 1 2 TERMO 16

17 Fator integrante de um diferencial não-exata 2 b j Caminho i b f : 1 i a 1 2 Fator integrante de Diferencial exata TERMO 17

18 Trabalho num diagrama pv Sistema com borda arbitrária, durante uma expansão quase-estática, realiza trabalho infinitesimal quase-estático dado por: Trabalho total: TERMO 18

19 Trabalho num diagrama pv Trabalho positivo Trabalho positivo TERMO 19

20 Trabalho num diagrama pv Processo cíclico: o sistema é levado, através de processos quaseestáticos, da sua configuração inicial para configurações intermediárias, sendo finalmente, levado de volta para sua configuração inicial. Ciclo percorrido no sentido horário: Ciclo percorrido no sentido anti-horário: TERMO 20

21 Trabalho num diagrama pv O trabalho depende do processo termodinâmico ligando os dois estados termodinâmicos. Processo isobárico i a: TERMO 21

22 Trabalho num diagrama pv O trabalho depende do processo termodinâmico ligando os dois estados termodinâmicos. Como Processo isocórico a j: Não existe trabalho mecânico envolvido no processo isocórico (ou isovolumétrico). TERMO 22

23 Trabalho num diagrama pv O trabalho depende do processo termodinâmico ligando os dois estados termodinâmicos. Processo i a j: O trabalho é dado pela área sob a curva. Como se trata de uma expansão, este trabalho será positivo e igual a: TERMO 23

24 Trabalho num diagrama pv O trabalho depende do processo termodinâmico ligando os dois estados termodinâmicos. Processo i b j: O trabalho é dado pela área sob a curva. Como se trata de uma expansão, este trabalho será positivo e igual a: TERMO 24

25 Trabalho num diagrama pv O trabalho depende do processo termodinâmico ligando os dois estados termodinâmicos. Processo i j: O trabalho é dado pela área sob a curva. Como se trata de uma expansão, este trabalho será positivo e igual a: TERMO 25

26 Trabalho num processo quase-estático Trabalho realizado por um sólido processo quase-estático Suponha que o processo seja isotérmico. O trabalho total nesse caso será dado por: Como: TERMO 26

27 Trabalho num processo quase-estático Trabalho realizado por um sólido processo quase-estático Suponha que o processo seja isotérmico. O trabalho total nesse caso será dado por: mantém-se constantes para um sólido TERMO 27

28 Trabalho num processo quase-estático Trabalho realizado sobre um fio esticado Se esticarmos um fio, aumentando o seu comprimento, realizamos trabalho sobre o sistema (W < 0). Se o comprimento do fio (medido em metros) é submetido a uma tensão (medida em newtons), tal que o comprimento do fio muda, o trabalho infinitesimal será dado por: Trabalho total entre dois comprimentos: TERMO 28

29 Trabalho num processo quase-estático Trabalho de uma pilha reversível fem da pilha (medida em volts) Potenciômetro: permite que a ddp exterior fique diferente da fem da pilha. ddp exterior < Carga elétrica dz da pilha é transferida para o exterior: TERMO 29

30 Trabalho num processo quase-estático Trabalho de uma pilha reversível fem da pilha (medida em volts) Potenciômetro: permite que a ddp exterior fique diferente da fem da pilha. ddp exterior > Carga elétrica dz da pilha é transferida para a pilha: TERMO 30

31 Trabalho num processo quase-estático Trabalho de uma pilha reversível fem da pilha (medida em volts) Potenciômetro: permite que a ddp exterior fique diferente da fem da pilha. Supondo uma ddp exterior infinitesimal: Intensidade de corrente Intervalo de tempo envolvido na ddp exterior TERMO 31

32 Trabalho num processo quase-estático Trabalho de uma pilha reversível fem da pilha (medida em volts) Potenciômetro: permite que a ddp exterior fique diferente da fem da pilha. Supondo uma ddp exterior infinitesimal: Pilha realiza trabalho, descarregando-se TERMO 32

33 Trabalho num processo quase-estático Trabalho de uma pilha reversível fem da pilha (medida em volts) Potenciômetro: permite que a ddp exterior fique diferente da fem da pilha. Supondo uma ddp exterior infinitesimal: Pilha sofre trabalho, aumentando sua carga TERMO 33