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Page 1: Termodinâmica é a ciência que trata

Termodinâmica é a ciência que trata

• do calor e do trabalho• das características dos sistemas e• das propriedades dos fluidos termodinâmicos

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Termodinâmica

1. Sistema - porção definida do espaço.

Ex. uma solução, uma célula, um cilindro

de gás, um corpo...

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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.

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Termodinâmica

Os sistemas possuem dois tipos de

energia:

Energia Interna...

Potencial – é a composição química

Cinética – é o conteúdo de calor

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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.

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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).

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Termodinâmica

Ep + Ec INT

Ec EXT

Distância

Altu

ra

Ep EXT

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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?

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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

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Termodinâmica

Propriedade intensivas (independem da massa).

1. pressão2. temperatura3. voltagem4. viscosidade

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Termodinâmica

Propriedade extensiva(dependem da massa)

1. volume2. quantidade de matéria3. densidade4. quantidade de energia

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Termodinâmica

1ª Lei:Descreve a conservação da energia.

Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.

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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.

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Termodinâmica

1ª Lei:

A energia do Universo é constante.

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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

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Sadi Carnot1796 - 1832

James Joule1818 - 1889

Rudolf Clausius1822 - 1888

Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907

Emile Claupeyron1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica

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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

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Para entender melhor a

1a Lei de Termodinâmica

é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos

“percorridos” pelo calor...

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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

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Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2Transformação

Variáveis de estado

Variáveis de estado

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“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.

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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

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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.

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O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

Page 26: Termodinâmica é a ciência que trata

∆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?

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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

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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

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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

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Êmbolo movimentado lentamente

∆U = 0 → ∆T=0

Transformação à temperatura constante

Q = W

Q = W + 0

Processo Isotérmico

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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

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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

Page 33: Termodinâmica é a ciência que trata

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

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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

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Em cada ciclo

W = Q1-Q2

Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1

ε = [1 – Q2/Q1]

∆U = 0

Eficiência térmica: 1ªLei

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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

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Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ?

ε = [1 – Q2/Q1]

Q1 → 0

ε → 1

É possível construir esta máquina?

ε → 100%

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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


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