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
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).
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.
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).
- 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)
3D movie how a car engine works: https://www.youtube.com/watch? v=4w_nrhxekay Exemplos conceituais 2. Motores de automóveis
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.
Exemplos conceituais 3. Usinas termelétricas ou termonucleares Veja a evolução da geração elétrica de todas as termelétricas administradas pela Petrobrás: Ano MW (médio/dia) 2014 4.761 2013 4.043 2012 2.699 2011 653 2010 1.838 2009 525 2008 2.058 2007 581 2006 331 2005 425 2004 343 Usina Piratininga: http://www.petrobras.com.br/pt/nossasatividades/principais-operacoes/termeletricas/piratininga.htm
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 1.350 megawatts. Para os próximos anos, está prevista a entrada em operação de Angra 3, de 1.405 megawatts. Complexo Angra 1 e 2: http://www.eletronuclear.gov.br/aempresa/centralnuclear.aspx
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.
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!
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)!
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