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Page 1: LEIS DA TERMODINÂMICA A PRIMEIRA LEI DA … · a primeira lei da termodinÂmica Há cerca de duzentos anos, o calor era encarado como um fluido invisível denominado calórico, que

LEIS DA TERMODINÂMICA

A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Há cerca de duzentos anos, o calor era encarado como um fluido invisível

denominado calórico, que fluía como água de objetos quentes para objetos frios. O

calórico parecia ser conservado – ou seja, parecia fluir de um lugar para outro sem ser

criado ou destruído. Essa idéia foi a precursora da lei da conservação da energia. Pela

metade do século 19 tornou-se claro que o não é uma substância localizada no interior

da matéria, tornou-se claro que o fluxo de calor não era mais do que um mero fluxo de

energia. A teoria do calórico para calor foi sendo gradualmente. Hoje encaramos calor

como energia sendo transferida de um lugar para o outro. Calor é energia em trânsito.

Quando a lei da conservação da energia é estendida para incluir o calor,

passamos a chamar de primeira lei da termodinâmica. O enunciado de uma forma geral

é o seguinte:

Quando flui calor para um sistema ou para fora dele, o sistema ganha ou

perde uma quantidade de energia igual à quantidade de calor transferido.

Por sistema, queremos nos referir a um grupo bem definido de átomos,

moléculas, partículas ou corpos. O sistema pode ser pode ser o vapor quente dentro de

uma máquina térmica, ou pode ser a atmosfera inteira da Terra. Pode até mesmo ser o

corpo de um ser vivo. O ponto importante é que devemos é que devemos ser capazes de

definir claramente o que está contido no sistema e o que está fora dele. Se adicionarmos

calor ao vapor de uma máquina a vapor, à atmosfera da terra ou ao corpo de um ser

vivo, estaremos adicionando energia ao sistema. O sistema pode usar essa energia para

aumentar a sua própria energia interna, ou para realizar trabalho sobre sua vizinhança.

De modo que se adicionarmos calor ao sistema, ocorrerá uma de duas coisas: (1) um

aumento da energia, se a energia permanece nele, ou (2) a realização de trabalho pelo

sistema sobre coisas que lhe são externas, caso a energia adicionada deixe o sistema.

Mais especificamente, a primeira lei estabelece que:

Calor adicionado ao sistema = aumento da energia interna + trabalho externo

realizado pelo sistema

A primeira lei é um princípio geral que não diz respeito ao funcionamento

interno do próprio sistema. Sejam quais forem os detalhes do comportamento molecular

do sistema, o calor adicionado fará aumentar a energia interna do sistema ou

possibilitará que o sistema realize trabalho externo (ou ambos).

Considere uma certa quantidade de energia fornecida a uma máquina a vapor,

seja ela uma usina ou um navio com propulsão nuclear. Essa quantidade será

evidenciada por meio da energia interna do vapor e do trabalho realizado. A soma do

aumento da energia interna com o trabalho realizado é igual à energia que entra. A

primeira lei da termodinâmica é simplesmente a versão “térmica” da lei da conservação

da energia.

Page 2: LEIS DA TERMODINÂMICA A PRIMEIRA LEI DA … · a primeira lei da termodinÂmica Há cerca de duzentos anos, o calor era encarado como um fluido invisível denominado calórico, que

Adicionar calor a um sistema, de modo que ele possa realizar trabalho mecânico

é apenas uma das aplicações da primeira lei da termodinâmica. Se em vez de adicionar

calor, nós realizarmos trabalho sobre o sistema mecânico, a primeira lei nos diz o que

esperar: um crescimento da energia interna. Esfregue suas mãos uma na outra e

certamente elas se tornarão mais quentes. Ou encha um pneu de uma bicicleta com uma

bomba manual, e a bomba terá se aquecido. Por quê? Porque basicamente estamos

realizando trabalho mecânico sobre o sistema e elevando sua energia interna. Se o

processo for realizado tão rapidamente, de modo que muito pouco calor seja transferido

para fora do sistema por condução, então a maior parte do trabalho realizado sobre o

sistema vai aumentar sua energia interna, e o sistema se tornará mais quente.

A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Suponha que você coloque um tijolo quente sobre um tijolo frio, no interior de

uma região termicamente isolada. Você sabe que o tijolo quente esfriará e cederá calor

ao tijolo frio, o qual se aquecerá. Eles acabarão atingindo uma temperatura comum: o

equilíbrio térmico. Nenhuma energia se perderá, de acordo com a primeira lei da

termodinâmica. Mas imagine que o tijolo quente extraísse calor do tijolo frio, tornando-

se mais quente ainda. Isso violaria a primeira lei da termodinâmica? Não, se o tijolo frio

tornar-se correspondentemente mais frio, de maneira que a energia combinada de ambos

permaneça constante. Se isso acontecesse, não haveria violação da primeira lei da

termodinâmica.

Mas violaria a segunda lei da termodinâmica. Essa lei identifica o sentido da

transformação de energia em processos naturais. A segunda lei pode ser enunciada de

muitas maneiras, mas a mais simples de todas é esta:

O calor por si mesmo jamais flui de um objeto frio para um objeto

quente.

No inverno, o calor flui do interior aquecido de uma casa para o exterior frio. No

verão o calor flui do ar quente no exterior da casa para seu interior mais frio. Pode-se

fazer o calor fluir no outro sentido, mas se apenas realizarmos trabalho sobre o sistema

ou adicionarmos energia de alguma outra fonte – como ocorre nas bombas térmicas e

nos condicionadores de ar.

Page 3: LEIS DA TERMODINÂMICA A PRIMEIRA LEI DA … · a primeira lei da termodinÂmica Há cerca de duzentos anos, o calor era encarado como um fluido invisível denominado calórico, que

A enorme quantidade de energia interna do oceano não pode ser usada para

alimentar uma única lâmpada sem haver esforço externo. A energia por si mesma não

fluirá do oceano a uma temperatura mais baixa para o filamento da lâmpada a uma

temperatura mais alta. Sem esforço externo, o sentido do fluxo de calor é do quente para

o frio.

A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Existe também a lei (o nome se deve ao fato de que essa lei foi formulada após a

primeira e a segunda leis da termodinâmica) estabelecendo que dois sistemas que estão

em equilíbrio térmico com um terceiro sistema estão necessariamente em equilíbrio

térmico entre si.

MÁQUINAS TÉRMICAS

As máquinas constituíram o ponto focal d revolução Industrial durante o final do

século 19 e início do século 20. Sem esperanças de construir máquinas do tipo moto-

perpétuo*, os cientistas e industriais concentraram-se em aumentar o rendimento das

máquinas reais e dos motores que a fazem funcionar.

*Um moto-contínuo, ou máquina de movimento perpétuo são classes de máquinas hipotéticas as quais

reutilizariam indefinidamente a energia gerada por seu próprio movimento. A existência de um

dispositivo moto-contínuo é geralmente aceita como sendo impossível, de acordo com o nosso atual

conhecimento das leis da física.

Uma máquina térmica é qualquer dispositivo que converta energia interna em

trabalho mecânico. A Idea básica por trás de qualquer máquina térmica, seja ela uma

máquina a vapor, a combustão interna ou um motor a jato, é que trabalho mecânico

pode ser obtido somente quando o calor flui de uma temperatura alta para uma

temperatura baixa. Em toda máquina térmica, somente uma parte do calor é convertido

é convertido em trabalho. Ao considerar as máquinas térmicas, falamos em

reservatórios. O calor sai de um reservatório de que se encontra alta para uma

temperatura baixa. Toda máquina térmica:

1 – recebe calor de uma temperatura alta, aumentando assim sua

energia interna;

2 – converte parte dessa energia em trabalho mecânico;

3 – rejeita a energia restante, como calor, para outro reservatório a

uma temperatura baixa, o qual chamaremos de escoadouro (ver figura)

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A segunda lei nos garante que nenhuma máquina térmica pode converter todo o

calor que lhe é fornecido em energia mecânica. Apenas parte do calor pode ser

transformada em trabalho, com o restante sendo expelido durante o processo. Aplicada

às máquinas térmicas, a segunda lei pode ser enunciada como:

Quando trabalho é realizado por uma máquina térmica que opera entre

duas temperaturas Tquente e Tfria, somente uma parte do calor que ingressa

na máquina a Tquente pode ser convertida em trabalho, e o restante é

rejeitado a Tfrio.

Toda máquina térmica rejeita algum calor, o que pode ser desejável ou indesejável.

O ar quente expelido em uma lavanderia automática é inteiramente desejável em um dia

frio de inverno, enquanto será inteiramente indesejável em um dia quente de verão.

Quando o calor é indesejável, nós o chamamos de poluição térmica.

Antes dos cientistas compreenderem a segunda lei, muitas pessoas achavam que

uma máquina térmica que envolvesse em sua operação muito pouco atrito poderia

converter quase toda sua energia térmica em trabalho útil. Mas isso não é verdade. Em

1824, o engenheiro francês Nicolau Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) analisou o

funcionamento de uma máquina térmica e fez uma descoberta fundamental. Ele

mostrou que a máxima fração de energia fornecida que pode ser convertida em trabalho

útil, mesmo sob condições ideais, depende da diferença de temperatura entre o

reservatório quente e o escoadouro frio. Sua equação é:

q

f

T

T1

Temperatura alta

Temperatura baixa

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Em que η é o rendimento ideal, Tq é a temperatura do reservatório quente e Tf a do

escoadouro frio. O rendimento ideal depende apenas da temperatura entre a entrada e

saída. Sempre que estão envolvidas temperaturas, a escala absoluta de temperatura deve

ser utilizada de modo que Tq e Tf devem ser expressos em kelvins.

A equação de Carnot estabelece o limite superior de eficiência para todas as

máquinas térmicas, seja ela um automóvel, um navio movido a energia nuclear ou um

avião a jato. Na prática, o atrito está sempre presente em todas as máquinas e o

rendimento será sempre menor que o ideal*. Apesar do atrito ser o principal responsável

pela ineficiência de muitos dispositivos, no caso das máquinas térmicas o conceito

dominante é a segunda lei da termodinâmica: apenas parte do calor pode ser

convertido em trabalho – mesmo que não houvesse atrito nenhum.

* O rendimento ideal do motor de um automóvel a combustão interna é maior que

50%, mas, na prática, o rendimento acaba sendo cerca de 25%. Motores que

operassem a temperatura mais elevadas (em comparação com a do reservatório frio)

seriam mais eficientes, mas o ponto de fusão dos materiais do motor impõe limites

superiores de temperatura em que eles podem operar. Rendimentos mais altos,

portanto, aguardam por motores feitos de materiais com pontos de fusão mais

elevados. Fique de olho nos motores de cerâmica.

PARA TESTAR SEUS CONHECIMENTOS

QUESTÃO 1 – RESPONDA: o que mais, além da energia cinética, contribui para a

energia interna de um sistema?

QUESTÃO 2 – RESPONDA: como o princípio da conservação da energia se relaciona

com a primeira lei da termodinâmica?

QUESTÃO 3 – INDIQUE qual é a relação matemática que entre o calor cedido a um

sistema, a variação ocorrida em sua energia interna e o trabalho externo por ele

realizado.

QUESTÃO 4 – RESPONDA: como a segunda lei da termodinâmica se relaciona com

o sentido do fluxo do calor?

QUESTÃO 5 – EXPLIQUE quais são os três processos que ocorrem no interior de

toda máquina térmica.

QUESTÃO 6 – EXPLIQUE o que é exatamente poluição térmica.

QUESTÃO 7 – EXPLIQUE como a segunda lei da termodinâmica se relaciona com as

máquinas térmicas.

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Referências Bibliográficas

Física Conceitual, Paul G. Hewitt,- 11ed.- Porto Alegre: Bookman, 2002

Física Conceitual, Paul G. Hewitt,- 11ed.- Porto Alegre: Bookman, 2011

Próprio autor