Aula Calor e 1ª Lei da Termodinâmica. As leis da Termodinâmica foram inicialmente obtidas empiricamente e somente

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1 1 Aula Calor e 1ª Lei da Termodinâmica Tema: Termodinâmica a serem abordados os assuntos: - Lei zero da Termodinâmica; - 1ª Lei da Termodinâmica calor e energia; - 2ª Lei entropia; - Aplicações da Termodinâmica em sistemas simples. As leis da Termodinâmica foram inicialmente obtidas empiricamente e somente posteriormente elas foram comprovadas experimentalmente. Qual é a natureza dos princípios físicos que governam as propriedades e o comportamento de certos sistemas, tratados de um ponto de vista macro e microscópico? Quando tratamos de sistemas no estado microscópico, nos baseamos nas teorias atômicas e moleculares; no estado macroscópico, enfocamos nas propriedades da matéria sem a utilização de conceitos relacionados à estrutura atômica, mas à Termodinâmica, que se volta aos estudos sobre as relações entre propriedades de um sistema, que interage ou não com a sua vizinhança. Ao iniciarmos o estudo da Termodinâmica, definirmos inicialmente sistema e função de estado. As propriedades do sistema, isolado de perturbações não controladas, são calor, trabalho e energia. Este sistema pode ser aberto, quando ocorre transferência de energia entre sistema e vizinhança. Função de estado (pressão, volume e temperatura): com um valor definido para cada estado e independe do modo como este estado é alcançado. A Lei Zero da Termodinâmica diz respeito aos conceitos relativos à temperatura, uma medida da energia cinética média translacional das moléculas. Para medidas da temperatura, são utilizados termômetros com escalas de medidas. Entre um sistema e a sua vizinhança podem ser definidos dois tipos de paredes, uma parede adiabática, que é perfeitamente isolante e impede o fluxo de calor, ou seja, variações de temperatura; e outra que é a parede diatérmica, usualmente paredes delgadas de metal, do tipo condutor térmico perfeito, que permite contato térmico. Ao considerarmos os sistemas A,B e C, podemos dizer que o sistema A está em equilíbrio

2 2 térmico com o sistema C; então o sistema B está em equilíbrio com o sistema C e os sistemas A e B estão também em equilíbrio térmico. Esta lei é fundamental para a compreensão de sistemas tais como os termômetros, que acusam uma mudança de temperatura com a mudança de alguma propriedade física (como a altura da coluna de Hg). Esta lei foi assim denominada somente após a formulação das 1ª e 2ª leis e assegura a existência da temperatura como uma função de estado. Se pensarmos em temperatura, logo pensaremos também em calor. Qual é a natureza do calor? Inicialmente havia a teoria do calórico, que considerava o calor como uma substância fluida indestrutível, que preencheria os poros dos corpos e fluiria de um corpo mais quente para um mais frio. Lavosier chamou esta substância de calórico. Ou seja, havia esta idéia de transferência de calor, mas também que a quantidade total de calórico se conservaria (seria uma lei de conservação de calor). Outra teoria foi inicialmente proposta por Bacon e Hooke e depois, Newton (Mecanicistas): calor correspondia ao movimento das vibrações das partículas do corpo. Um aurgumento final contra a hipótese do calórico veio com Benjamin Thompson (conde Rumford): (calor gerado por atrito; se fosse um fluido seria consumido muito rapidamente, mas o que se notava era calor gerado continuamente). Teoria moderna do calor: 1842, Julius R. von Mayer: energia de um sistema fechado é sempre constante (princípio de conservação de energia, calor como forma de energia). Em 1845, equivalente mecânico da unidade de calor. Em 1847, James Joule estudou o trabalho realizado por gás que se expandia e que gerava calor ao ser comprimido. Determinou a quantidade de trabalho necessaria para

3 3 gerar determinada quantidade de calor (equivalência entre energia mecânica e calor). Unidades de energia Joule; unidade de calor caloria. Definição de caloria: quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 14,5 o C para 15,5 o C de 1 g de água. Ou quantidade calor necessária para elevar de 1 o C a temperatura de um mol de água denominada de calor específico, 1 cal/g o C (água). Para definição do valor do calor específico, necessita-se especificar as condições nas quais ocorre a variação de temperatura; à pressão (C p ) ou volume (C v ) constantes. Experimento Joule: A capacidade térmica, C, de uma substância pura é a quantidade de calor necessária para elevar a sua temperatura de T: Q = mc T = C T Variação do calor específico com a temperatura: C = m 1 c 1 + m 2 c Como ocorre a condução de calor? Processos: convecção, radiação e condução.

4 4 Convecção: transferência de calor em meios fluidos pelo movimento do próprio fluido (corrente de convecção). Radiação: transferência de calor de um ponto para outro por meio de radiação eletromagnética (radiação térmica, solar, IV). Condução: em fluidos ou sólidos sob efeitos de diferentes temperaturas não há movimento do meio. Metais: condutores elétricos bons condutores de calor. Condutividade térmica condutividade elétrica. (vidro/madeira maus condutores de calor). Leis básicas da condução: 1) Calor flui de corpo com T mais alta para corpo com T mais baixa. 2) Quantidade de calor, Q, é proporcional à diferença de temperatura, T. 3) Quantidade de calor, Q, é inversamente proporcional à espessura, x, da chapa condutora. Q T/ x (gradiente de temperatura). 4) Q é proporcional à área A da amostra onde o calor está fluido. 5) Q é proporcional ao intervalo de tempo, t. Assim, para a condução de calor através de uma espessura infinitésima dx durante um tempo dt: Q A t ( T/ x)

5 5 Sendo = constante de proporcionalidade, condutividade térmica; valor negativo: calor flui de temperaturas mais altas para mais baixas (em direção a uma diminuição de temperatura). O enunciado da 1ª lei envolve uma função de estado, a energia interna, U. A energia total é igual à soma das energias cinética e potencial e a energia interna corresponde à energia devido aos movimentos moleculares e interações moleculares. Na Termodinâmica, não há necessidade de se conhecer a natureza de U, mas sim dos meios de se variar a U dos processos. A 1ª lei prevê que uma função de estado extensiva E (a energia total do sistema) deve ser: E = Q + W para sistema fechado. As quantidades Q e W não são funções de estado, dependem do caminho o calor é energia transferida entre o sistema e a sua vizinhança devido a uma diferença de temperatura e o trabalho é uma diferença de energia entre o sistema e a vizinhança devido a uma força (mecânica) que atua envolvendo uma distância. A mudança de energia de um sistema, E, é sempre acompanhada por uma mudança na energia da vizinhança (com sinal oposto), de tal forma que para qualquer processo a energia total do sistema e da sua vizinhança mantém constante (é conservada). U = Q + W. A convenção de sinais nos diz que calor flui para o sistema da vizinhança durante o processo; neste caso, Q é positivo e se sai do sistema é negativo. Da mesma forma, se o trabalho é feito no sistema pela vizinhança, W é positivo (compressão do sistema); se o sistema realiza W para a vizinhança, é negativo. A energia interna, U, é uma função de estado e para qualquer processo a variação de U depende dos estados (inicial e final) do sistema e independe do caminho. Quando nos referimos à 1ª lei como U = Q + W, temos a representação matemática da lei que pode ser assim anunciada: A energia interna de um sistema é constante a menos que seja alterada pela realização de trabalho ou por aquecimento.

6 6 O trabalho realizado para levar sistema termicamente isolado de estado inicial a um estado final independe do caminho, mas depende somente dos estados inicial e final. A energia interna U é função de estado de um sistema termodinâmico cuja variação Uf Ui é igual ao trabalho adiabático necessário para levar o sistema de i para f. Exemplo: Expansão isotérmica de gás ideal: qual é o trabalho realizado pelo gás neste processo? O que dizer a energia interna do sistema termodinâmico é uma função de estado? U deve ser definida quando se especifica o estado do sistema. Qualquer um dos pares: U = U(P,V); U = U (P,T); U = U (V,T) Fontes: livros Sears. Tipler. Moyses. Halliday. Aulas do site da Univ. Uminho.