ciências da natureza e suas tecnologias...

20
Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª Série Segunda lei da termodinâmica

Upload: doankhuong

Post on 09-Nov-2018

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física

Ensino Médio, 2ª Série

Segunda lei da termodinâmica

Page 2: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Existem fenômenos cujos eventos acontecem numa ordem direta ou

inversa, não nos permitindo saber aquele que aconteceu antes ou

depois. Veja o exemplo do pêndulo. Como saber se primeiro ele estava

na direita para depois ir para esquerda, ou, se do contrário, ele começa

da esquerda e vai para a direita?

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem

: T

ibbets

74 / G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion L

icense.

Page 3: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Porém, na vida real, todos os fenômenos espontâneos ou naturais

são irreversíveis.

“A natureza só admite uma sequência para o transcurso dos

acontecimentos. Em todos há uma espécie de orientação que

indica o sentido do transcorrer do tempo” (Alberto Gaspar)

Assim, em um fenômeno irreverversível, é possível distinguir entre o antes e o depois.

Um copo com água gelada (10°C) colocado sobre a mesa, à temperatura ambiente

(25°C), espontaneamente, receberá sempre calor do ambiente elevando sua

temperatura, nunca o contrário.

Como a Física busca entender e descrever a natureza através de leis, a

irreversibilidade dos fenômenos naturais está expressa na Segunda Lei da

Termodinâmica.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem: Malene Thyssen / GNU Free Documentation

License.

Page 4: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Os fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode ser

inteiramente reaproveitado em outra forma de energia.

Aplicando esta regra ao funcionamento das máquinas térmicas, temos que...

Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode

retirar calor de uma fonte e transformá-lo

integralmente em trabalho.

Então, numa máquina térmica, o calor retirado de uma

fonte quente (Qq) será transformado, parte dele em

trabalho (δ) e o restante rejeitado numa fonte fria (Qf).

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem

: E

moscopes / G

NU

Fre

e D

ocum

enta

tion L

icense.

Page 5: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Fonte Fria Qf

O funcionamento de uma máquina térmica é

representado pelo diagrama ao lado.

Fonte Quente

Qq

MáquinaTrabalho realizado

O trabalho realizado pela máquina é o

resultado da diferença entre o calor retirado

da fonte quente e o calor rejeitado na fonte

fria.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Page 6: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Tente identificar, na máquina térmica ilustrada, a:

✓Fonte quente (Qq)

✓Trabalho realizado (δ)

✓Fonte fria (Qf)

Fonte Quente - Qq

Trabalho realizado

Corresponde ao movimento

do pistão para cima,devido à

expansão do vapor de água.

Corresponde ao

aquecimento da água em

uma caldeira, fazendo-a

vaporizar.

Fonte Fria - Qf

Com a abertura da válvula,

água fria é liberada dentro

do cilindro fazendo o vapor

condensar (resfriamento).

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.

Page 7: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

O rendimento de uma máquina é definido pelo

percentual de calor transformado em trabalho.qQ

τη

Como o trabalho pode ser definido por δ = Qq – Qf ,

então...

q

f

q

fq

Q

Q1η

Q

QQη

Ou, se a máquina operar em ciclos de Carnot,

teremosq

f

T

T1η

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Page 8: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei

proíbe a existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.

qQ

τη

Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor

transformado em trabalho...

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Page 9: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

A irreversibilidade se dá em processos espontâneos, porém, com

gasto de energia, é possível fazer processos ocorrerem de modo

inverso ao que ocorreria espontaneamente.

Como exemplo, temos a geladeira, uma máquina que retira calor

de seu interior (fonte fria) e despeja numa fonte quente através

de um trabalho executado por um compressor.

Assim, num refrigerador temos que:

RefrigeradorTrabalho (δ)

Fonte Fria Qf

Fonte Quente Qq

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem: M.Minderhoud / GNU Free

Documentation License.

Imagem: Keenan Pepper / GNU Free

Documentation License.

(Tradução Nossa).

Page 10: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

O compressor envia o gás

liquefeito (condensado)

comprimido por uma tubulação

(serpentina) de pequeno diâmetro

localizada na parte traseira do

refrigerador.

Na unidade de evaporação,

localizada no congelador e

painéis de resfriamento, o gás

passa a uma tubulação de

maior diâmetro e expande-se

rapidamente, evaporando num

processo adiabático, o que

provoca seu resfriamento.

Ao longo da tubulação do

evaporador, o calor flui do

interior da geladeira para o

gás, que retornará ao

compressor.

Então, podemos representar

esquematicamente o trabalho

(δ), o calor lançado na fonte

quente (Qq) e o calor retirado

da fonte fria (Qf).

Qf

δ

Qq

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagem: Ilmari Karonen / GNU Free Documentation License.

Imagem: SEE-PE, redesenhado a

partir de imagem de Autor

Desconhecido.

Page 11: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

A seguir, temos a representação de dois refrigeradores.

O primeiro é um modelo simples, com apenasum ambiente e unidade de congelamentointegrado (uma porta).

O segundo refrigerador é do tipo Duplex (duasportas) com unidade de congelamentoseparada e um painel de resfriamento noambiente inferior.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

Imagens da esquerda para a direita: (a)SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. (b) Pierre gencey / Public Domain. (c) Paul Robinson / GNU Free Documentation License.

Page 12: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

A eficiência (ε) corresponde ao coeficiente obtido pela razão entre o calor retirado da

fonte fria (Qf) e o trabalho realizado (δ) pelo compressor em cada ciclo.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioSegunda lei da termodinâmica

τ

Qε f Ou, se considerarmos que δ = Qq – Qf então...

fq

f

Q - Q

Se um refrigerador opera em ciclos de Carnot, então sua eficiência será calculada por...

fq

f

T - T

Page 13: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação
Page 14: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

ISOTERMICAISOTERMICA

ADIABÁTICA ADIABÁTICA

Page 15: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação
Page 16: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Se uma máquina térmica retira, por ciclo, 500 J de

calor da fonte quente e rejeita 400 J para fonte fria,

qual o trabalho útil obtido obtido em 30 ciclos e

qual o seu rendimento?

Page 17: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Uma máquina térmica tem 40% de rendimento. Em

cada ciclo, o gás ideal dessa máquina rejeita 120

joules de calor para a fonte fria. Determine:

a) O trabalho útil obtido por ciclo nessa máquina;

b) A quantidade de calor que o gás recebe, por

ciclo da fonte quente.

Page 18: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Um motor térmico funciona segundo o ciclo de

Carnot. A temperatura da fonte quente é 127 ºC e a

da fonte fria é de 27 ºC. Em cada ciclo o motor

recebe 600 Cal da fonte quente, Determine o

rendimento do motor, o trabalho útil obtido e a

quantidade de calor rejeitada para a fonte fria em

cada ciclo. Dado: 1 cal = 4 J.

Page 19: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Uma máquina térmica funciona realizando o ciclo

de Carnot. A temperatura da fonte fria é - 23 ºC e a

da fonte quente é de 352 ºC. A potência útil da

máquina é 2400 W e ela realiza 4 ciclos por

segundo. Determine:

a) O rendimento da máquina;

b) A quantidade de calor fornecida pela fonte

quente em cada ciclo;

c) A quantidade de calor recebida pela fonte fria

em cada ciclo.

Page 20: Ciências da Natureza e suas Tecnologias Físicaprofmarcio3.dominiotemporario.com/doc/2_LEI_DA_TERMODINAMICA_PPT.pdf · Ciências da Natureza e suas Tecnologias ... na transformação

Em 1824 o engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot demonstrou que seuma máquina térmica, operando entre duas temperaturas constantes T1 e T2

(com T1 > T2), trabalhasse em ciclos segundo o gráfico mostrado, apresentaria omaior rendimento possível para essas temperaturas. Esse ciclo passou a sechamar Ciclo de Carnot e essa máquina, máquina ideal ou máquina de Carnot.

No Ciclo de Carnot um gás ideal sofre quatro transformações reversíveis: duasisotérmicas (AB e CD) e duas adiabáticas (BC e DA). A respeito da máquina e doCiclo de Carnot, analise as proposições abaixo:(1) na transformação BC a máquina cede calor ao meio externo.(2) na transformação CD o gás sofre uma compressão e é aquecido.(4) o trabalho total realizado em cada ciclo é nulo.(8) o gás só troca calor com o meio externo nas transformações AB e CD.(16) na expansão AB o meio externo realiza trabalho sobre o gás.