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Termodinâmica é a ciência que trata
• do calor e do trabalho• das características dos sistemas e• das propriedades dos fluidos termodinâmicos
Termodinâmica
1. Sistema - porção definida do espaço.
Ex. uma solução, uma célula, um cilindro
de gás, um corpo...
Termodinâmica
2. Entorno - tudo que envolve o sistema.
Não tem limite. É o ambiente
Os sistemas podem variar de volume,
temperatura e energia.
Abertos/fechados.
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Interna...
Potencial – é a composição química
Cinética – é o conteúdo de calor
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Externa...Potencial – é dependente da altura do
sistema no Campo G. Cinética – é dependente da velocidade de deslocamento do sistema no espaço.
Termodinâmica
Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela
estar no alto (energia potencial externa),
como ser lançada (energia cinética externa),
que sua energia interna é a mesma até o
momento da explosão (a potencial, pelo
menos).
Termodinâmica
Ep + Ec INT
Ec EXT
Distância
Altu
ra
Ep EXT
m
Termodinâmica
Se um macaco come uma banana, no
alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou
parado, ele só aproveita a energia interna da
banana.
Se ele come a banana com casca faz
alguma diferença?
Termodinâmica
Mais Energia
Menos Energia
Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
A Energia Interna de um sistema pode ou não depender de Massa do sistema, pelo menos macroscopicamente. Com isso, classifica-se
Propriedades extensivas
Propriedade intensivas
Termodinâmica
Propriedade intensivas (independem da massa).
1. pressão2. temperatura3. voltagem4. viscosidade
Termodinâmica
Propriedade extensiva(dependem da massa)
1. volume2. quantidade de matéria3. densidade4. quantidade de energia
Termodinâmica
1ª Lei:Descreve a conservação da energia.
Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.
Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
1ª Lei:Toda transformação de energia se
acompanha de energia térmica.
Qualquer forma de energia ou trabalho, pode ser totalmente convertida em calor.
Termodinâmica
1ª Lei:
A energia do Universo é constante.
O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICALei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho.•A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE
wqU
Sadi Carnot1796 - 1832
James Joule1818 - 1889
Rudolf Clausius1822 - 1888
Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907
Emile Claupeyron1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica
Nasceu em Salford - Inglaterra
James P. Joule(1818-1889)
Contribuição de James Joule.
1839 Experimentos: trabalho mecânico, eletricidade e calor.
1840 Efeito Joule : Pot = RI2
1843 Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4,18 J)
1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo.
As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina:
a Termodinâmica
Lei da Conservação
de Energia
1a Lei da
Termodinâmica
Para entender melhor a
1a Lei de Termodinâmica
é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos
“percorridos” pelo calor...
Certa massa delimitada por uma fronteira.
Vizinhança do sistema.O que fica fora da
fronteira
Sistema fechadoSistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Sistema AbertoSistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.
Sistema Termodinâmico
Transformação
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2Transformação
Variáveis de estado
Variáveis de estado
“Caminho” descrito pelo sistema na transformação .
Processos
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Processos Durante a transformaçãoIsotérmico temperatura constanteIsobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
Transformações1a Lei da Termodinâmica
ΔU = U2 – U1
Variação Energia Interna
W > 0 → sistema realiza trabalho
W < 0 → sistema sofre trabalho
Q > 0 → sistema recebe calor
Q < 0 → sistema perde calor
1a Lei
Q = W + ΔU
Sistema Fechado
Q = W + ∆U
GásExpansão nula
W = 0
Δ U = Q
ΔU depende apenas de ΔT.
ΔT = 0 → ΔU = 0ΔT > 0 → ΔU > 0ΔT < 0 → ΔU < 0
Como U é uma variável de
estado, ΔU não depende do processo.
Variação da Energia Interna
A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.
O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.
∆V = V2 -V1
∆U = Q - W
Wdepende de
como a pressão e volume mudam
no processo.
W = F.d
F = Pr.S
W = Pr.S.d
W = Pr.ΔV
.
O trabalho que atravessa a fronteira
depende do processo?
P1V1 = nRT1
Estado 1
no de moles
Constante dos gases
R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K
Diagramas P x VGases ideais
1P1
V1
T1Como as variáveis de estado se relacionam?
Equação de estado
1ª Lei da Termodinâmica
W = 0
Q = m CV (T2-T1)
Calor específico a volume constante
U = Q
∆V = 0
Transformação de 1 → 2
Volume invariávelIsovolumétrica
Processo isovolumétricoTransformação a volume constante
Q = W + U
Q = + m CP (TB - TA)
calor específico a pressão constante
W = Po [VB-VA]
1ª Lei da TermodinâmicaQ = W + U
Transformação a pressão constante
Processo isobárico
Êmbolo movimentado lentamente
∆U = 0 → ∆T=0
Transformação à temperatura constante
Q = W
Q = W + 0
Processo Isotérmico
Movimento rápido do êmbolo.
Q = 0
W = - ∆U
Primeira Lei da TermodinâmicaQ = W + ∆U
Q = 0 → ∆U= - W
Compressão adiabática
Trabalho transforma-se em calor
Q = 0
O processo ocorre tão rapidamente que o
sistema não troca calor com o exterior.
WÁrea sob o grafico
Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor
3.- Wciclo = W = área 12341
Wciclo > 0 → Qciclo 0
O sentido do ciclo no diagrama PV : horário. O sistema recebe Q e entrega W
1a Lei da TermodinâmicaQciclo = Wciclo + ∆Uciclo
Qciclo = Wciclo
1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2.- Qciclo = Q
Processos cíclicos
“Trabalham” em ciclos.
Máquinas Térmicas
Fonte quenteFonte fria
Trabalho
Ciclo
De onde a máquina retira
calor QHot.
Para onde a máquina rejeita
calor QCold
A máquina de Denis Papin1647 - 1712
Em cada ciclo
W = Q1-Q2
Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1
ε = [1 – Q2/Q1]
∆U = 0
Eficiência térmica: 1ªLei
Refrigerador
12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador
Ciclo Refrigerador
Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ?
ε = [1 – Q2/Q1]
Q1 → 0
ε → 1
É possível construir esta máquina?
ε → 100%
A eficiência da Máquina de Carnot
No ciclo:
∆U=0 → W = Q1 - Q2
ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
ε = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
ε = 1 - T2/T1
Princípio de Carnot"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"
BC e DA = adiabáticas
Ciclo reversívelA máquina ideal de Carnot