Calor, trabalho e 1 a lei da Termodinâmica

Transcrição

1 Calor, trabalho e 1 a lei da Termodinâmica Trabalho de configuração. Trabalho dissipativo. Calor. Equivalente mecânico do calor. 1 a lei da Termodinâmica.

2 Teste 03: Data: Terça-feira, 14/09/2010. Problemas: Zemansky: 3.1 a Sears / Salinger: 3.1, 3.3, 3.6, 3.8, 3.16, 3.19.

3 Trabalho de configuração dw = PdV dw = Hdµ dw = FdL dw = YdX Coordenadas: Intensivas. Extensivas. dw = PdV Hdµ

4 Trabalho dissipativo Não pode ser diretamente associado a uma variação global nas coordenadas termodinâmicas do sistema. Não há (necessariamente) alteração na configuração do sistema. Envolve a existência de efeitos dissipativos. Processos irreversíveis. Thermodynamics, Sears & Salinger

5 Calor definição calorimétrica Calor é aquilo que é transferido entre um sistema e suas vizinhanças apenas em virtude da diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças. Paredes adiabáticas: não permitem a troca de calor. Paredes diatérmicas: permitem a troca de calor.

6 Conceito de Calor um pouco de história Teoria do Calórico: atribuía as alterações sofridas por corpos em contato térmico à troca de um fluido (calórico), que passaria do corpo mais quente para o mais frio. Lavoisier (1783), Laplace (1816), Carnot (1824),... Teoria amplamente aceita no final do século XVIII (~1780)......mas seriamente questionada na metade do século XIX (~1850).

7 Conceito de Calor um pouco de história Benjamim Thompson (Conde Rumford): experimentos envolvendo a perfuração de canhões com brocas (~1798). O calor era produzido de forma ininterrupta, enquanto os cavalos estavam trabalhando. Mais calor era produzido quando a ferramenta estava cega. Como poderia o movimento dos cavalos produzir um fornecimento inexaurível de calórico? Rumford ( )

8 Conceito de Calor um pouco de história Benjamim Thompson (Conde Rumford): Qualquer coisa que qualquer corpo isolado ou sistema de corpos pode continuar a fornecer ilimitadamente, não tem possibilidade de ser uma substância material; e me parece extremamente difícil, se não totalmente impossível, formar qualquer ideia clara de qualquer coisa, capaz de ser acionada e transmitida da forma como o calor o foi nessas experiências, a não ser que seja movimento. Rumford ( ) H. C. Von Bayer, A Física e o nosso mundo.

9 Conceito de Calor um pouco de história Esforços experimentais para comprovar a equivalência entre trabalho e calor: Julius R. Von Mayer (1842). Ludwig A. Colding (~1843). James P. Joule (1843). On the existence of an equivalent relation between heat and the ordinary forms of mechanical power, Philosophical Magazine, Series 3, Vol. XXVII, p. 205, Joule ( )

10 O equivalente mecânico do calor Experimento de Joule (~1843): J = Q W After reducing the result to the capacity for heat of a pound of water, it appeared that for each degree of heat evolved by the friction of water a mechanical power equal to that which can raise a weight of 890 lb. to the height of one foot had been expended.

11 O equivalente mecânico do calor Definição de caloria: quantidade de calor necessária para aquecer 1 g de água pura de 14,5 até 15,5 C à pressão atmosférica ( caloria 15 C ). Medida de J medida do calor específico da água. Caloria IT (International Table), adotada pela 5 a Conferência Internacional das Propriedades do Vapor (Londres, 1956): 1 cal = 4,1868 J. J = Q W

12 O calor específico da água

13 Calor e trabalho em um processo termodinâmico

14 Calor versus trabalho Trabalho Calor Físico-Química, Vol. 1, Atkins

15 Trabalho em processos adiabáticos

16 Trabalho em processos adiabáticos Formas de trabalho adiabático: Expansões quase-estáticas. Expansões não-quase-estáticas. Trabalho dissipativo (resistores). c a f i d b e Alguns caminhos: iaf ibf icdf iebf

17 Primeira Lei da Termodinâmica Fato experimental: o trabalho total realizado em processos adiabáticos depende apenas das coordenadas termodinâmicas dos estados inicial e final. Se um sistema tem seu estado alterado por meio de processos unicamente adiabáticos, o trabalho total envolvido é o mesmo para todos os caminhos adiabáticos conectando os estados inicial e final. Definição da energia interna (função de estado): Wi f ( adiabático) = U f Ui du = dwad (1 a Lei da Termodinâmica para processos adiabáticos)

18 Primeira Lei da Termodinâmica Definição termodinâmica do calor: quando um sistema cujas vizinhanças estão em temperaturas diferentes e sobre o qual trabalho pode ser realizado passa por um processo termodinâmico qualquer, a energia transferida por meios não mecânicos, que é igual à diferença entre a variação da energia interna e o trabalho realizado, é chamada de calor. O calor corresponde, portanto, à energia em trânsito entre um sistema e suas vizinhanças em virtude unicamente da existência de uma diferença de temperatura. Assim como o trabalho, o calor não é uma função de estado. dq diferencial inexata i f dq depende do caminho

19 Primeira Lei da Termodinâmica Calor, Trabalho e Energia Interna: 2 f i i f f dq depende do caminho dw depende do caminho 1 U = U U não depende f i do caminho i Q = W W ad Q = U + W Convenção de sinais: Q > 0: sistema recebe calor. Q < 0: sistema perde calor.

20 Primeira Lei da Termodinâmica Calor, Trabalho e Energia Interna: Q1 Q2 Qad = 0 f ad W W W = U ad. Q1 W1 = Q2 W2 = Wad = U i 1 ( ) f i Q W = U U du = dq dw (independente do caminho) dq du YdX = + (formas diferenciais de Pfaff)

21 Bibliografia e links sugeridos: Calor e Termodinâmica, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística, F. W. Sears & G. L. Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, A Física e o nosso mundo, Hans Christian von Baeyer, Elsevier, Físico-Química, P. Atkins, J. de Paula, 7 a ed, LTC Editora,