AULA 3
TERMODINÂMICA
A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem
constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para
percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma
transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos
que ocorrem freqüentemente ao nosso redor. A termodinâmica trata do estudo
da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo
de métodos para a transformação de energia térmica em energia de movimento.
TERMODINÂMICA
Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial,
quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser
substituído por máquinas.
ENERGIA TÉRMICA
Quando analisamos microscopicamente um corpo nos estados sólido,
líquido e gasoso, podemos perceber que:
No estado sólido, as partículas que constituem o corpo possuem uma
grande vibração em torno de sua posição, perfeitamente definida no interior do
corpo.
No estado líquido, as partículas, além de vibrarem, apresentam
movimento de translação no interior do líquido.
ENERGIA TÉRMICA
No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem intensamente, também
transladam com grande velocidade no interior da massa gasosa.
Podemos concluir que, as partículas constituintes do corpo, possuem energia
de agitação. À energia de agitação das partículas do corpo, chamamos de
energia térmica.
ENERGIA INTERNA (U)
Os sistemas materiais termodinâmicos são capazes de armazenar em seu interior
qualquer energia recebida, assim como de restituí-la ao mundo exterior. Qualquer
corpo material é então capaz de constituir uma reserva de energia, denominada
energia interna.
A energia interna da matéria é: U = Ec + Epint
Ec é a soma das energias cinéticas das moléculas
Epint é a energia potencial de interação entre as moléculas (energia potencial
interna)
No caso dos gases, onde a distância entre as moléculas é grande, a energia
potencial interna é pequena, sendo portanto sua energia interna U
predominantemente cinética.
ENERGIA INTERNA (U)
Nos sólidos e líquidos, as distâncias entre as moléculas são pequenas, a
interação entre as moléculas é grande e a energia potencial interna da
interação entre as moléculas contribui significativamente para sua energia
interna.
ENERGIA INTERNA (U) - GASES
Determinar a energia interna de um gás não é uma tarefa simples, mas se
considerarmos este gás como um gás perfeito, a energia interna pode ser
determinada pela lei de Joule.
Onde:
U é a energia interna.
R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).
T é a temperatura.
n é o numero de mols.
ENERGIA INTERNA (U) - GASES
Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura
estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia
interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema.
Resumindo:
No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a
temperatura, em Kelvin.
TRABALHO (ζ)
A energia interna U de um sistema de partículas pode ser modificada quando
forças externas e internas realizam trabalho sobre o sistema (forças internas são
aquelas que uma parte do sistema exerce sobre a outra parte do sistema).
Quando as forças internas são conservativas, apenas as forças externas
modificam a energia interna do sistema de partículas. No modelo que estamos
utilizando não existem forças internas não conservativas (quando o trabalho de
uma força não depende da trajetória, dizemos que esta é uma força
conservativa). A variação da energia interna é o trabalho das forças externas
não conservativas sobre o sistema.
TRABALHO (ζ)
Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante.
Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário
deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um
conseqüente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.
Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser
considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas
antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de
combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a
realização de trabalho.
TRABALHO (ζ)
De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de
um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado
na figura abaixo.
TRABALHO (ζ)
O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do
volume.
Para que o trabalho de um sistema seja diferente de zero, é obrigatória uma
variação de volume do sistema. Em transformações isométricas, ou seja, com
volume constante, o trabalho vale zero. Da relação de trabalho e variação de
volume temos:
Unidade de trabalho: no sistema internacional, o trabalho é medido em joules.
CALOR
Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira
espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
A transferência de energia produzida apenas por uma diferença de
temperatura denomina-se transferência de calor ou fluxo de calor, e a energia
transferida deste modo denomina-se calor.
Sendo o calor uma forma de energia, deve ser expresso em unidades de
energia. No sistema SI, a unidade de energia é o joule (Nm). Historicamente, a
primeira unidade de calor utilizada foi a caloria.
CALOR – Capacidade térmica e Calor específico
Em um recipiente contendo água na temperatura de 30ºC, foi introduzido um
pedaço de aço a 120ºC. Com o passar do tempo, podemos perceber que o aço
vai esfriando e a água vai se aquecendo até que ambos passam a ter mesma
temperatura. Nessa situação, dizemos que os dois estão em equilíbrio térmico.
O fato da água ter aumentado a sua temperatura significa que suas partículas
aumentaram a sua agitação térmica.
Mas quem forneceu esta energia?
CALOR – Capacidade térmica e Calor específico
Certamente podemos concluir que o aço, ao se resfriar, forneceu energia para a
água. Portanto, houve uma passagem de energia do aço para a água. Esta
energia, em trânsito é chamada de calor. Conseqüentemente, se colocarmos
dois corpos em diferentes temperaturas, em contato ou próximos, haverá
passagem de energia do corpo cujas partículas estão com um grau de agitação
maior (maior temperatura) para o corpo de partículas menos agitadas (menor
temperatura). Essa energia leva o nome de calor e seu trânsito dura até o
momento em que os corpos atingem o equilíbrio térmicos, isto é, a mesma
temperatura.
CAPACIDADE TÉRMICA
Define-se a capacidade térmica C de um corpo como “a quantidade de
calor necessária para aumentar sua temperatura em 1◦C.”
C = ∆Q/ ∆T, [C] = [cal/◦C] ou [joule/◦C].
Quanto maior é o valor de C, maior será a quantidade de calor necessária
para modificar sua temperatura. Diferentes substâncias têm diferentes
capacidades térmicas.
CALOR ESPECÍFICO
O calor específico de um corpo é a relação entre a capacidade térmica e
sua massa:
c = C/m, [c] = [cal/◦C. g]
Define-se o calor específico como a energia necessária para modificar a
temperatura de um grama da substância em um grau.
CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO
Nas faixas de temperatura onde o calor específico é constante, o calor
necessário para modificar a temperatura de um corpo em ∆T é: Q = m c ∆T (cal).
É importante ressaltar que, com essa definição, quando o corpo fornece
calor para as suas vizinhanças, a sua temperatura diminui e o calor Q é
negativo.
Quando colocamos vários corpos (por exemplo, três massas) com
temperaturas diferentes em um recipiente isolado termicamente do exterior, eles
trocam calor entre si até atingir o equilíbrio térmico. Como não há fluxo de calor
através das paredes do recipiente, a energia interna do sistema permanece
constante. Portanto, o somatório do calor trocado por cada uma das massas e o
seu exterior é zero.
Qtotal = Q1+ Q2 + Q3 = 0.
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
Um processo termodinâmico é um evento caracterizado pela variação de
uma ou várias funções de estado de determinado sistema.
Quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico e sofre uma
pequena variação (infinitesimal) em algumas de suas funções de estado, se
deixado isolado, ele encontrará naturalmente uma outra situação de equilíbrio,
como novos valores de suas funções de estado. Chama-se a essa mudança
infinitesimal de processo quase estático.
Um processo reversível é necessariamente uma seqüência de processos
quase estáticos. Para que um processo seja reversível é necessário que
conheçamos todas as micro-transformações que aconteceram entre o estado
inicial e o estado final.
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
As mudanças que sofrem algumas grandezas quando que acontece numa
transformação termodinâmica estão relacionadas através da equação que define
a Primeira Lei da Termodinâmica:
ΔE = Q −W
Onde:
ΔE = energia interna do gás
Q = calor absorvido pelo gás
W = trabalho executado pelo gás
PROCESSO ADIABÁTICO
Q = 0; sem troca de calor com o ambiente.Como não existe troca de calor entre o sistema (gás) e o ambiente, as
transformações estão associadas a troca de trabalho entre o sistema e o meio. As funções de estado p, V e T podem variar, mas sem que isso signifique uma troca de energia em forma de calor.
O sistema poderá trocar com o ambiente, energia em forma de trabalho. Por exemplo; o ambiente executará trabalho sobre o sistema diminuindo o volume deste sistema, e conseqüentemente aumentando a sua pressão e a sua temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema
PROCESSO ISOVOLUMÉTRICO
Volume constante.Em um processo isovolumétrico, não existe troca de energia na forma de
trabalho entre o sistema e o ambiente. As funções de estado p e T podem variar.Poderão acontecer trocas de energia na forma de calor, entre o sistema e o
ambiente. Por exemplo, o sistema absorverá calor do ambiente, e mantendo o volume constante, acontecerá um aumento tanto da pressão quanto da temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema.
PROCESSO ISOBÁRICO
Pressão constante.Num processo isobárico poderá acontecer troca de energia tanto em forma
de calor como em forma de trabalho. As funções de estado V e T podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento do volume, sem que aconteça variação da pressão.
Acontecerá a variação da energia interna do sistema.
PROCESSO ISOTÉRMICO
Temperatura constante.Num processo isotérmico poderá acontecer troca de energia tanto em forma
de calor como em forma de trabalho. As funções de estado p e V podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento da pressão e volume, sem que aconteça variação da temperatura.
Não acontecerá a variação da energia interna do sistema.
TERMODINÂMICA E BIOLOGIA
Os organismos vivos não constituem exceções às leis da termodinâmica. Eles
incorporam, de seu meio ambiente, uma forma de energia que pode ser utilizada
por eles nas condições especiais de temperatura e pressão nas quais vivem
(energia livre) e, em seguida, repõe ao meio ambiente uma quantidade
equivalente de energia em forma, menos utilizável (calor e outras formas de
energia). A modalidade utilizável de energia que as células incorporam é
denominada energia livre, que pode, ser definida como o tipo de energia capaz
de produzir trabalho em condições de temperatura e pressão constantes.
TERMODINÂMICA E BIOLOGIA
O fluxo de energia nos seres vivos é estudado pela bioenergética a partir leis
da fundamentais da termodinâmica. Os seres vivos são descritos
termodinamicamente como estruturas ou sistemas dissipativas, ou seja são
sistemas que utilizam fluxos de energia para aumentar sua ordem interna e
operam longe do equilíbrio termodinâmico. Como as células operam a
temperatura constante torna-se necessário o uso de reações químicas como
forma de transferência e armazenamento de energia.
TERMODINÂMICA E BIOLOGIA
As células utilizam o acoplamento de reações para que a energia de uma
reação espontânea possa ser utilizada no favorecimento de reações não
espontâneas. Entre todas as moléculas utilizadas nos processos vivos a molécula
de ATP, tem um papel central na conservação de energia pelas células vivas pela
sua capacidade de armazenar energia na ligação do terceiro grupo fosfato e pela
capacidade de transferência do grupo fosfato, formação de ligações de
fosforilação, o que é essencial na formação de ácidos nucléicos, movimentação
de flagelos e quebra e composição de moléculas.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
Sobre um sistema, realiza-se um trabalho de 3000 J e, em resposta, ele
fornece 1000cal de calor durante o mesmo intervalo de tempo. A variação de
energia interna do sistema, durante esse processo, é, aproximadamente:
(considere 1,0 cal = 4,0J)
a) –1000J
b) +2000J
c) –4000J
d) +4000J
e) +7000J
Resposta: A
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
Num calorímetro contendo 200g de água a 20°C coloca-se uma amostra de
50g de um metal a 125°C. Verifica-se que a temperatura de equilíbrio é de 25°C.
Desprezando o calor absorvido pelo calorímetro, o calor específico sensível
desse metal, em cal/g°C, vale:
a) 0,10
b) 0,20
c) 0,50
d) 0,80
e) 1,0
Resposta: B
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
Uma barra de cobre de massa 200g é retirada do interior de um forno, onde
estava em equilíbrio térmico, e colocada dentro de um recipiente de capacidade
térmica 46cal/°C que contém 200g de água a 20°C. A temperatura final de
equilíbrio é de 25°C. A temperatura do forno, em °C, é aproximadamente igual a:
Dado: CCu = 0,03 cal/g°C
a) 140
b) 180
c) 230
d) 280
e) 300
Resposta: C
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
Um ser humano adulto e saudável consome, em média, uma potência de
120J/s. Uma “caloria alimentar” (1kcal) corresponde, aproximadamente, a 4,0 x
103J. Para nos mantermos saudáveis, quantas “calorias alimentares” devemos
utilizar, por dia, a partir dos alimentos que ingerimos?
a) 33
b) 120
c) 2,6x103
d) 4,0 x103
e) 4,8 x105
Resposta: C
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAARHsAG/catabolismo-bioenergetica
http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fis
ica/calorimetria