Sistemas termodinâmicos, eléctricos e magnéticos

Elaborado por : Rui Ribeiro

Formas fundamentais de energia

Indução electromagnética

“Na natureza nada se perde nem se cria, tudo se transforma”Lavoisier

Corrente eléctrica como forma de transferência de energia

Sistemas termodinâmicos

Conforme o modo como a energia se manifesta, pode designar-se de diferentes maneiras: térmica, luminosa, química, eólica, etc. Contudo, as duas formas fundamentais de energia são:

Energia Cinética (EC) e Energia Potencial (EP)

A energia cinética EC encontra-se associada ao movimento dos corpos – um homem em movimento possui energia cinética que depende da sua massa e da sua velocidade.

A energia potencial EP é energia que depende da posição de um corpo relativamente a outros sistemas com os quais interactua.

Energia Mecânica = Energia Cinética + Energia Potencial

- Um corpo elástico deformado possui energia potencial elástica.- Um corpo á superfície da Terra possui energia potencial gravítica.

Energia Cinética (EC)

Quando um corpo está em movimento, apresenta uma determinada velocidade. Para que o corpo passe do estado de repouso ao de movimento, é preciso aplicar uma força que, multiplicada pelo deslocamento do corpo, seja igual ao trabalho realizado.

A energia armazenada por um corpo em movimento (EC) é:

EC = W = m . v2

Energia Potencial (EP)

A capacidade de um corpo para produzir trabalho pelo facto de estar a uma dada altura é designado por energia potencial gravítica (EP).

A energia armazenada por um corpo que se encontra a uma altura h, (EP) é:

EP = m . g . h m – massa (kg)g – aceleração gravítica (m/s2)h – altura (m)

m – massa (kg)v – velocidade (m/s)

Unidades de Energia

A unidade de energia do Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J).Outras unidades de energia vulgarmente utilizadas são a caloria (cal) e o quilowatt – hora (kWh).

1 cal = 4,186 J

1 kWh = 3,6 x 106 J

Energia útil. Energia dissipada. Rendimento

Uma máquina é um dispositivo que extrai energia de uma fonte, transformando-a noutra forma de energia que nos pode ser útil. Contudo, nenhuma máquina pode converter toda a energia recebida.

energia motora = energia útil + energia dissipada

Uma máquina será tanto mais “eficaz” quanto menor for a fracção de energia dissipada. Define-se rendimento de uma máquina () como:

x 100

É importante salientar que a energia não é perdida independentemente de o rendimento ser grande ou pequeno. A energia nunca desaparece, transforma-se em diversas formas e transfere-se entre sistemas.

A energia é sempre conservada.

Potência de uma máquina é uma grandeza que informa sobre a rapidez com que uma máquina transfere energia de um sistema para outro:

Onde, t – intervalo de tempo (segundo)E – energia transferida pela máquina no intervalo de tempo t (Joule)

P – potência da máquina (Watt)

Pode agora confirmar que a unidade quilowatt-hora (kWh) é uma unidade de energia:

E = P x t

Dt = 1h = 60 x 60s = 3600 s

P = 1 kW = 1000 W

1 kWh = 1000 x 3600 = 3,6 x 106

A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança de temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. De outra forma, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica relaciona-se com "movimento". Por isso, em essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento.

Típico sistema termodinâmico, mostrando entrada de uma fonte de calor (caldeira) na esquerda e saída para um redutor de calor (condensador) na direita. Trabalho é extraído, neste caso, por uma série de pistões.

Sistemas termodinâmicos são sistemas físicos constituídos por um grande número de partículas (átomos, moléculas ou iões), em agitação térmica desordenada, interagindo e trocando energia com o exterior.

Designa-se por sistema aberto aquele cuja fronteira permite trocas de matéria e/ou energia com a vizinhança. (Ex: água num copo.)

Sistema fechado é aquele cuja fronteira não permite trocas de matéria com a vizinhança, mas permite trocas de energia. (Ex: refrigerante numa lata fechada).

Num sistema isolado a fronteira não permite trocas de matéria nem de energia com a vizinhança. (Ex: garrafa termos).

Um sistema é uma porção do universo que queremos estudar. Poderá ser o Sol, o mar ou uma bola.Os limites do sistema designam-se por fronteira do sistema. Chama-se vizinhança de um sistema á porção do universo que o rodeia.

Dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando estão á mesma temperatura.

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura invariável

Isobárico Pressão invariável

Isovolumétrico volume constante

Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Parede diatérmica: uma parede ou fronteira é diatérmica quando permite a passagem de calor através dela.

Parede adiabática: uma parede ou fronteira é adiabática quando não permite a passagem de calor através dela.

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2Transformação

Variáveis de estado

Variáveis de estado

As escalas termométricas mais utilizadas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin

Para realizar medidas de temperatura é necessário estabelecer um padrão, e que se relacione outras escalas com esse padrão.

A escala Celsius é definida, a partir da escala Kelvin, da seguinte maneira:

TC = TK - 273,15

A transferência de energia de um sistema para o exterior ou do exterior para o sistema pode ser sob a forma de:

- Calor – energia transferida quando há uma diferença de temperatura entre dois ou mais sistemas.

- Radiação – a transferência de energia por radiação faz-se através de ondas electromagnéticas, que se propagam no vácuo á velocidade da luz.

c = 3 x 108 m/s

-Trabalho – energia transferida para o sistema quando sobre ele actua uma força. Para haver transferência de energia, designada por trabalho, o ponto de aplicação da força tem de ter um deslocamento igual ao deslocamento do corpo.

No nosso dia-a-dia deparamo-nos com vários problemas de aquecimento. Por exemplo, os edifícios são, muitas vezes, ou muito quentes ou muito frios. A compreensão de como o calor é transferido de um corpo para outro revela-se assim, muito importante.Há dois mecanismos de transferência de calor: condução e convecção.

A energia transferida sob a forma de calor para um corpo, quando se verifica uma variação de temperatura T do corpo, é:

Q = m x c x T

Capacidade térmica mássica de uma substância é numericamente igual á quantidade de calor que é necessário fornecer á unidade de massa da substância para elevar a sua temperatura de um grau Celsius.

T – variação de temperatura (ºC)m – massa do corpo (kg)

c – capacidade térmica mássica (J/kg.ºC)

Condução Em escala atómica há uma troca de energia cinética entre moléculas, na qual as moléculas menos energéticas ganham energia colidindo com moléculas mais energéticas.

- Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno de suas posições de equilíbrio

- À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chama começam a vibrar com amplitudes cada vez maiores

- Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões

- O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação de temperatura do metal

A taxa de condução depende das propriedades da substância

ConvecçãoO ar é um mau condutor térmico. Sabemos porém, que nele ocorrem fluxos de calor com relativa facilidade.

Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver a água.

À medida que a água é aquecida numa panela, as camadas inferiores são aquecidas primeiro.

Essas regiões expandem-se e sobem porque tem uma densidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, a água mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aí pode ser aquecida.

Quando se liga um aquecedor numa sala, o ar aquece depressa.

No caso da convecção, a transferência da energia dá-se por deslocamentos de partes do fluido de um lugar para outros devido a diferenças de densidade entre partes do sistema.

O Sol emite energia por radiação (o Sol é uma fonte de ondas electromagnéticas). Contudo, não é apenas o Sol que emite radiação.Todo o corpo emite energia por radiação, sendo essa energia tanto maior quanto maior for a temperatura absoluta do corpo. A temperatura do Sol é de cerca de 6000 K, sendo por isso que este astro é uma poderosa fonte de ondas electromagnéticas.

As ondas electromagnéticas são caracterizadas pelo comprimento de onda () e/ou pela frequência (f).

=

– comprimento de onda (metros, m)f – frequência (hertz, Hz)

c – velocidade da luz no vazio = 3 x 108 m/s

Trabalho é a energia que é transferida de um sistema para outro, quando há uma força de interacção entre sistemas.

Se puxarmos um caixote com uma certa força, transferimos energia para o caixote que se manifesta no seu movimento. A pessoa perde energia interna, mas o caixote ganha energia cinética. Ao processo de transferir energia para um sistema por acção de forças que a vizinhança exerce sobre ele chama-se trabalho.

O trabalho, W, é, tal como o calor, uma energia em «trânsito» e, tal como o calor, exprime-se em joules (J).

A energia interna de um sistema pode variar tanto pela realização de trabalho como pela ocorrência de um fluxo de calor, como ainda por efeito da radiação:

Se o sistema estiver isolado termicamente, não há fluxo de calor (Q = 0) e, não havendo emissão ou absorção de radiação, toda a variação de energia interna é devida ao trabalho:

Ei = W

Por outro lado, se não se realizar trabalho (W = 0), a variação de energia interna é apenas devida ao fluxo de calor e radiação:

Ei = Q + R

Num sistema isolado, Q = 0, W = 0, R = 0 e, portanto:

Ei = 0

Das duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata directamente do rendimento das máquinas térmicas.

Enunciado de Clausius:“O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.”

Enunciado de Kelvin-Planck:“É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.”

Ou seja, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, por maior que seja, há sempre uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efectivo.

Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

As máquinas térmicas permitem obter trabalho a partir de um fluxo de calor entre duas fontes a temperatura diferente.

O seu rendimento é:

O rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

Os motores de explosão dos automóveis têm um rendimento próximo dos 50%. Metade da energia consumida dissipa-se sob a forma de calor.

As máquina frigoríficas tem como objectivo absorver a energia sob a forma de calor de uma região a baixa temperatura mediante a realização de trabalho.Trabalham de forma cíclica através de um fluído refrigerante (fréon) que extrai o calor da zona a refrigerar e liberta-o noutra parte do sistema.

O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão (restrição), onde é submetido a uma queda de pressão brusca. Então o fluido é conduzido pelo evaporador, que absorverá calor do ar do ambiente a ser refrigerado, vaporizando-se.

A eficiência da máquina frigorífica é o quociente entre a energia retirada á máquina, como calor, da fonte fria (Qf), e a energia que a máquina recebe como trabalho (W).

A eficiência da máquina frigorífica é sempre maior que 1. A eficiência normal de uma máquina frigorífica é de 5.

W + Qf = Qq, ou seja, W = Qq - Qf (lei da conservação da energia)