1ª e 2ª leis da termodinâmica

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1 1ª e 2ª les da termodnâmca 1ª Le da Termodnâmca Le de Conservação da Energa 2ª Le da Termodnâmca Restrnge o tpo de conversões energétcas nos processos termodnâmcos Formalza os concetos de processos reversíves e rreversíves 1ª LEI DA TERMODINÂMICA Consdere-se um clndro delmtado por um pstão e uma expansão quas-estátca, através de deslocamentos, dy, do pstão. O trabalho realzado pelo gás é: dw Fdy PAdy Pd dw é postvo quando o trabalho é realzado pelo sstema. Numa stuação mas geral o trabalho vem dado por: W Pd, que tem em conta a orma como a pressão vara no processo. Quando se representa os estados do sstema num dagrama P o trabalho realzado nesse processo é dado pela área abaxo da curva que corresponde ao processo. O trabalho é postvo quando o volume nal é maor do que o ncal e negatvo quando o volume nal é menor do que o ncal. O trabalho depende, assm, do camnho percorrdo. 23

2 Se consderarmos Q a quantdade postva que corresponde ao calor recebdo por um determnado sstema e W a quantdade postva que corresponde ao trabalho realzado pelo sstema sobre a vznhança (repare-se que são ambas quantdades energétcas) observa-se que a quantdade Q W (que corresponde à varação de energa nterna do sstema, U) é ndependente do camnho percorrdo, sendo, portanto, uma unção de estado. U U U Q W Casos especas de varações energétcas: I Sstema Isolado: Um sstema solado é aquele que não nteractua com o exteror. Q 0 ; W 0 U 0 U U A energa nterna de um sstema solado mantém-se constante II Processo Cíclco: U 0 Q W Num processo cíclco o calor transerdo guala o trabalho realzado III Processo Isocórco: Um processo socórco ou sovolúmco é aquele que ocorre a volume constante. 0 W 0 U Q Num processo socórco a varação de energa nterna guala o calor transerdo I Processo Adabátco: Um processo adabátco é aquele que não troca calor com a sua vznhança, ou porque se encontra termcamente solado desta, ou porque ocorre muto rapdamente. Q 0 U W Num processo adabátco a varação da energa nterna guala o trabalho realzado sobre o sstema Processo Isobárco: Um processo sobárco é aquele que ocorre a pressão constante. W P 24

3 I Processo Isotérmco: Um processo sotérmco é aquele que ocorre a temperatura constante. ejamos o que acontece num gás deal: Como P nrt P c te, então : W Pd... nrt ln Mas, como veremos, num gás deal, quando T = 0 U = 0 Q = W IRREERSIBILIDADE, PROBABILIDADE E 2ª LEI DA TERMODINÂMICA No segumento do estudo das Les da Termodnâmca mporta ter presente algumas noções relaconadas com rreversbldade, probabldade e ordem Atente-se nas seguntes armações: 1. Os enómenos desordenados são mas prováves. 2. Fenómenos mprováves que envolvam grandes números podem ser consderados mpossíves 3. Os dos pontos anterores conduzem a que quando os enómenos envolvem grandes números a passagem espontânea de um estado desordenado para um estado ordenado é mpossível. Para ocorrer uma transormação deste tpo é necessáro consumo de energa, enquanto que o contráro ocorre lvremente! 4. Então, sendo o calor um tpo de energa com carácter aleatóro, é sempre possível transormar uma dada quantdade de trabalho em calor, enquanto que na passagem de calor a trabalho há sempre perdas. Este últmo ponto é, essencalmente, a 2ª Le da Termodnâmca. ENTROPIA E 2ª LEI A 2ª Le da Termodnâmca envolve, pos, uma nteressante unção de estado à qual se dá o nome de Entropa, denda a partr da segunte stuação: Consdere-se um sstema que ca sujeto a um processo nntesmal entre dos estados de equlíbro. Se dq r or a quantdade de energa térmca envolvda nesse processo, sendo este reversível, a varação de entropa ds será dada por: ds onde T é a temperatura absoluta. dq T r 25

4 Do ponto de vsta estatístco a entropa está assocada à desordem. Uma outra orma de enuncar a 2ª Le da Termodnâmca é: A entropa de um sstema solado nunca dmnu: num processo reversível mantém-se constante, num processo rreversível, aumenta. O que sgnca que para aumentar a ordem de um sstema é necessáro aumentar a entropa da vznhança. Para calcular a varação de entropa num processo, utlza-se a equação: S dq T r Sendo a entropa uma medda de desordem, repare-se que ela aumenta porque a desordem é sempre mas provável Há anda uma outra grandeza ísca envolvda nestas questões à qual se dá o nome de normação, e que está ntmamente relaconada com a noção de ordem, uma vez que esta exge não apenas energa, mas também normação de como a usar No caso dos seres vvos, por exemplo, a energa provém dos almentos ou do sol (no caso das plantas), enquanto que a normação de como usar essa energa está contda no DNA. ENERGÉTICA DO CORPO HUMANO A taxa metabólca do corpo humano é o consumo energétco do ndvíduo por undade de área e de tempo. Tem, pos, undade J m -2 s -1. Para a calcular necessta-se de conhecer a área do corpo que é determnada, no caso do homem, através da expressão empírca: sendo m a massa do ndvíduo e h a sua altura. Calcule-se, então, a energa consumda por da de um ndvíduo com 70 kg e 1.55 m, sabendo que a taxa metabólca é aproxmadamente 40 kcal m -2 h -1 (Resposta: 1622 kcal. 26

5 Uma almentação equlbrada poderá então ser calculada tendo em conta os valores energétcos dos almentos. A título de exemplo, poder-se-á reerr que um grama de hdratos de carbono corresponde a 4 kcal, enquanto que um grama de lípdos corresponde a 9 kcal. Nos cálculos do balanço energétco deve anda atender-se ao acto de algumas reacções químcas que ocorrem no corpo humano necesstarem da acção de catalzadores que exgem oxgéno (exgndo, por sso, mas energa). Exstem város mecansmos de perda de calor que devem ser reerdos quando se aborda o tema do balanço energétco, são eles: 1. A condutvdade 2. A convecção e radação 3. O suor 4. A evaporação pela respração (menor quando comparada com os restantes mecansmos) 27