Sistemas termodinâmicos Variáveis de estado Prof. Luís C. Perna BREVE HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA Embora já na Antiga Grécia tenham sido construídas pequenas máquinas térmicas com fins meramente recreativos, o grande desenvolvimento da Termodinâmica ocorre na Revolução Industrial, nomeadamente com os estudos que conduziram a melhorias na eficiência energética das máquinas a vapor. 1
BREVE HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA Nessa época, a Termodinâmica baseava-se apenas no estudo das propriedades macroscópicas dos sistemas, como a pressão, o volume ou a temperatura. No início do século XX, surgiu a Teoria Cinético- Molecular que já interpretava as propriedades macroscópicas dos sistemas termodinâmicos em termos microscópicos, isto é, essas propriedades passaram a ser definidas em função do comportamento mecânico do grande número de átomos e moléculas que constituem os sistemas. Teoria Cinético-Molecular A TERMODINÂMICA A termodinâmica é a ciência que trata: do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinâmicos 2
Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica Sadi Carnot 1796-1832 James Joule 1818-1889 Emile Claupeyron 1799-1864 Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824-1907 Rudolf Clausius 1822-1888 VARIÁVEIS DE ESTADO OU VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS As quantidades com as quais podemos caracterizar um sistema termodinâmico designam-se por variáveis de estado, e estas têm o mesmo valor em todas as partes do sistema. Normalmente as variáveis de estado não são quantidades independentes entre si, ou seja, a mudança de uma variável, implica a alteração de uma outra ou mais variáveis. Grandezas macroscópicas mensuráveis e que servem para caracterizar o sistema. Extensivas: Volume (V), Energia interna (U), Intensivas: Temperatura (T), Pressão (P), 3
TEMPERATURA Interpretação microscópica medida da energia cinética média dos átomos ou moléculas que constituem o sistema. (gases: energia cinética de translação; sólidos: energia cinética de vibração) TEMPERATURA DUM CORPO Os corpos são constituídos por partículas (átomos, moléculas e iões) em constante movimento. O estado físico dum corpo limita a liberdade de movimentos das partículas que o constituem. A temperatura de um corpo é, uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o corpo. 4
A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA Num sólido, a energia interna cinética das partículas resulta principalmente dos seus movimentos vibratórios em torno das posições que ocupam na rede cristalina. Ao aquecemos o sólido, a amplitude das vibrações aumenta, o que se traduz, a nível macroscópico, num aumento da temperatura do corpo. A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA Nos líquidos, as partículas não ocupam posições fixas em redes cristalinas, podem executar movimentos de translação, de rotação e de vibração, mas, tal como nos sólidos, quanto maior é a energia cinética média das partículas maior é a temperatura do corpo. 5
A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA Nos gases, as partículas estão muito afastadas uma das outras, executando principalmente movimentos de translação com trajectórias rectilíneas e mudam de direcção quando as partículas colidem umas com as outras ou com as paredes dos recipientes que as contêm. Quanto maior for a temperatura de um gás, maior será a energia cinética média das partículas. TEMPERATURA Definição operacional grandeza que se mede com um termómetro. A temperatura é lida no termómetro ao fim de um certo tempo (tempo de relaxação), quando A e B atingirem o equilíbrio térmico. 6
TEMPERATURA Temperatura grandeza que permite avaliar o grau de calor de um corpo. A temperatura desempenha um papel essencial em quase todos os campos da ciência como, por exemplo, na Química, no estudo das propriedades de muitos materiais. Para medir a temperatura utiliza-se o termómetro e para exprimir os seus valores são utilizadas três escalas distintas, sendo as suas unidades expressas em: Kelvin (K) - é a unidade do Sistema Internacional (SI) Celsius (ºC) Fahrenheit (ºF) ESCALA DE TEMPERATURA NO SI A escala de temperaturas adoptada no Sistema Internacional (SI) utiliza como unidade o kelvin (K). As temperaturas na escala Kelvin são designadas temperaturas absolutas e representam-se, simbolicamente, por T. O zero da escala Kelvin, o zero absoluto (0 K), é a temperatura para a qual não haveria qualquer agitação das moléculas constituintes de um dado sistema. O zero absoluto não pode ser alcançado experimentalmente, embora já se tenham obtido valores de temperatura muito próximos desse limite teórico. 7
ESCALAS DE TEMPERATURA ESCALAS DE TEMPERATURA 8
EQUILÍBRIO TÉRMICO Quando dois corpos a temperaturas diferentes, são postos em contacto, transferem energia entre si até se atingir o equilíbrio térmico, ou seja, até que a energia recebida pelos corpos seja igual à energia por eles emitida. Nestas condições verifica-se que estes atingem uma temperatura constante. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA Quando colocamos dois corpos ou sistemas, que se encontram em equilíbrio térmico, em contacto com um terceiro haverá transferência de energia entre os vários corpos ou sistemas. Esta transferência de energia irá decorrer até que todos os corpos apresentem a mesma temperatura, ou seja, até que se atinja o equilíbrio térmico. Esta evidência é traduzida pela Lei Zero da Termodinâmica. 9
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA EXERCÍCIO 1 Efectue as seguintes conversões de temperatura: 1. 473 K = C 2. 18 C = F 3. 212 F = C 4. 389 C = K 5. -187 F = K 6. 273 K = F Respostas: 1. 199,9; 2. 64,4; 3. 100,0; 4. 662,2; 5. 151,5; 6. 31,7 10
EXERCÍCIO 2 Em determinadas zonas da Terra atingem-se -76,0 F. 1. Que valor apresentaria nessa região um termómetro em graus Celsius? 2. Exprima a mesma temperatura em kelvin. Soluções: 1. A expressão que relaciona uma temperatura em graus Celsius com uma temperatura em graus Fahrenheit é dada por q = 5/9 (t 32,0). Substituindo t por -76,0 º F, obtemos q = - 60,0 C. 2. A relação entre uma temperatura em graus Celsius e uma temperatura em kelvin é T = q + 273,15, o que permite escrever T = - 60,0 + 273,15 <=> T = 213,2 K. Observe a seguinte imagem, onde constam três corpos em equilíbrio térmico. EXERCÍCIO 3 1. Se a temperatura do corpo C for 20 C, indique, justificando, qual a temperatura dos corpos A e B. 2. Apresente a temperatura do corpo C na escala Kelvin. 3. Se aumentarmos a temperatura do corpo B, o que acontece à temperatura dos corpos A e C? Respostas: 1. q A = q B = 20 ºC; 2. T = 293,15 K; 3. Aumentam 11
NOÇÃO DE PRESSÃO Pressão Consideremos uma superfície de área S, submetida a forças que lhe são perpendiculares e cuja resultante é. F Chama-se pressão média, p m, ao módulo da força exercida por unidade de área. p m F S F, que é NOÇÃO DE PRESSÃO Se a pressão for a mesma em todos os pontos de uma superfície, a pressão média, coincide com a pressão em qualquer ponto. Se a pressão variar de ponto para ponto, a pressão num ponto, será o limite para que tende a pressão média, quando a superfície tende para zero. Unidade de pressão do SI é o newton por metro quadrado, N/m 2, que se designa por pascal, Pa. F p S p lim S 0 F S 12
NOÇÃO DE PRESSÃO Pressão: força por unidade de área independente da orientação da superfície forças de pressão sempre perpendiculares à superfície F p S ENERGIA INTERNA A energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial dos seus corpúsculos. A energia interna representa-se, simbolicamente, por E i ou por U. Tem componentes: Do tipo cinético, que se associa aos movimentos desordenados dos corpúsculos; Do tipo potencial, que se relaciona com as posições relativas dos corpúsculos. 13
ENERGIA INTERNA ENERGIA INTERNA E MASSA Para um mesmo sistema quanto maior for a sua massa, maior será a sua energia interna. 14
ENERGIA INTERNA E TEMPERATURA A temperatura mede a agitação das partículas, logo, está relacionada com a energia cinética média dos corpúsculos que constituem a matéria. Quanto maior for a temperatura, maior será a energia interna do sistema, uma vez que a sua energia cinética interna (a nível microscópico) será maior. ENERGIA INTERNA E TEMPERATURA 15
EXERCÍCIO 4 Classifique as seguintes proposições em verdadeiras (V) ou falsas (F). A. Dois copos com a mesma quantidade de água e que estejam à mesma temperatura podem ter energias internas diferentes. B. Uma quantidade de água que esteja a 100 C nunca pode ter energia interna inferior a outra quantidade de água que esteja a 0 C. C. A energia interna de um corpo depende dos valores da quantidade das energias cinéticas e energias potenciais das partículas que constituem o corpo. D. A energia associada ao movimento das partículas é potencial e a energia que as partículas "armazenam", quando interagem entre si, é cinética. Verdadeiras: C Falsas: A, B e D EXERCÍCIO 5 Colocaram-se 500 ml de água em contacto com 500 ml de gelo. Complete as afirmações riscando a(s) palavra(s) que não interessa(m). A. A água vai transferindo energia/calor para o gelo até atingirem o equilíbrio térmico. Deste modo, o(a) temperatura/calor do gelo vai diminuindo/aumentando e a da água vai diminuindo/aumentando. B. Quando se atinge o equilíbrio térmico, o(a) temperatura/calor da água é igual/maior/menor à temperatura do gelo entretanto fundido. 16
EXERCÍCIO 6 Complete as seguintes frases, riscando a palavra que não interessa. Se considerarmos dois corpos com temperaturas diferentes, o que possui maior temperatura/energia interna não é necessariamente o que tem maior temperatura/energia interna. Por exemplo, 500 ml de água à temperatura/energia interna de 25 C tem uma temperatura/energia interna superior a 50 ml de água a 100 C. 17