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Anjo Albuquerque
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Radiação Solar
TERMODINÂMICA
Anjo Albuquerque
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Termodinâmica - é a área da Física que
nos permite compreender o mundo que
nos rodeia, desde a escala dos átomos
até à escala do universo.
TERMODINÂMICA
Anjo Albuquerque
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Sistema Termodinâmico
Estado termodinâmico - é cada uma das situações diferentes
em que um sistema se pode encontrar.
Cada estado caracteriza-se pelas suas
variáveis termodinâmicas:
• pressão;
• temperatura;
• volume;
Sistema termodinâmico - é uma quantidade de matéria ou
região para a qual nossa atenção está voltada.
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Sistema termodinâmico
1. Designa-se estado do sistema o conjunto dos valores de todas
as propriedades de um sistema.
2. Dois sistemas estão no mesmo estado se os valores de todas as
suas propriedades forem iguais.
3. Dois sistemas estão em estados diferentes se o valor de uma das
propriedades for diferente.
4. Não é necessário medir os valores de todas as propriedades para
saber o estado do sistema, basta conhecer as variáveis de
estado ou propriedades do sistema.
5. Variáveis termodinâmicas são todas as outras propriedades do
sistema que podem ser calculadas a partir das anteriores.
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Como se atigem os estados de equilíbrio?
Sistema
Estado 1
Vizinhança
Sistema
Estado 2
Vizinhança
Processo
O estado 1 (estado inicial) é caracterizado pelo conjunto de variáveis
de estado X que após a troca de energia com a sua vizinhança origina
o estado 2 (estado final) Y.
Processo – variação de um estado termodinâmico para outro.
Durante o processo ocorrem transformações no sistema.
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Equilíbrio Termodinâmico?
Os corpos estão constantemente a emitir radiação e a receber
radiação de tudo o que os rodeia. Se um corpo emitir maior quantidade
de energia por radiação do que absorve, a sua temperatura diminui, e
a temperatura da vizinhança aumenta.
Quando o corpo emite tanta energia como aquela
que absorve, a sua temperatura estabiliza e diz-se
que atingiu o equilíbrio térmico (as potência de
radiação absorvida e emitida são iguais).
Anjo Albuquerque
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Tipos de equilíbrio
Mecânico
Químico
Térmico
Se os
sistemas
estiverem
em
contacto
térmico
Se houver
transferência de
corpúsculos entre
sistemas reagentes
Se os sistemas
interatuarem
mecanicamente,
realizando
trabalho
Após a interação
T1 = T2
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Equilíbrio Termodinâmico?
Quando se atingem,
simultaneamente, todos os equilíbrios
entre o sistema e a sua vizinhança.
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio térmico
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Quando todos os corpos
estão em equilíbrio
térmico, as suas
temperaturas são iguais.
Lei zero da termodinâmica – Se dois
sistemas estiverem em equilíbrio
térmico com um terceiro, também
estão em equilíbrio térmico entre si.
Anjo Albuquerque
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O equilíbrio térmico e a radiação
Colocar as três latas num recipiente
termicamente isolado.
Ao fim de algum tempo estão todos à
mesma temperatura.
No entanto todos os corpos continuam a
irradiar energia.
Ou seja, a potência irradiada (emissão) por um corpo
é igual à potência que esse corpo absorve (absorção)
da sua vizinhança como radiação.
As respetivas taxas de absorção e
de emissão de radiação são iguais.
Anjo Albuquerque
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1ª Lei da Termodinâmica OU LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Relaciona as energias que transitam do sistema para o exterior, ou
vice-versa e a consequente variação de energia interna.
•Na maioria dos sistemas que interessam à termodinâmica não há
macroscopicamente variação de energia cinética nem de energia potencial.
•Há transformações de energia que se podem traduzir apenas POR
VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DOS SISTEMAS
∆Eint = W + Q + R
TERMODINÂMICA
Anjo Albuquerque
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Sistema não isolado
∆Eint = W + Q + R
Sistema isolado
∆Eint = 0
A energia interna de um sistema
isolado é uma constante pelo que
a
A energia interna de um sistema
não isolado não é uma constante
pelo que a
Ao escrevemos a 1ª Lei estamos a admitir
uma convenção de sinais:
Quando entra energia no sistema seja sob
a forma de W, Q ou R estes são positivos pois fazem aumentar a ∆Eint>0. Quando sai energia do sistema, então Q, W ou R são negativos e ∆Eint<0.
TERMODINÂMICA
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∆Eint = W
∆Eint = Q
Considere um recipiente fechado contendo um gás, dentro de uma estufa. O gás recebe
energia, como calor, da sua vizinhança e como consequência aumenta a sua temperatura e
portanto a sua energia interna.
Considere um cilindro com um pistão, isolado termicamente. Considere a pressão do gás inferior
à pressão exterior. Como consequência do deslocamento do pistão o gás comprime-se. É assim
realizado trabalho pelas forças de pressão sobre o sistema ocorrendo uma transferência de
energia da vizinha para o sistema.
Sistema ∆ Eint > 0
Q>0
Sistema ∆ Eint > 0
W>0
TERMODINÂMICA
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
Neste caso, não há realização
de trabalho sobre o sistema:
W = 0
Considere o sistema
constituído por um
recipiente com água.
∆Eint = Q
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA PARA
UM SISTEMA
Um jovem pretende “furar”
uma parede utilizando um
berbequim.
Neste caso, há realização de
trabalho sobre o sistema:
W>0.
O berbequim e a parede aquecem,
havendo uma certa elevação da
temperatura desse sistema. A variação da energia interna resulta do
balanço energético do trabalho realizado
sobre o sistema e da energia cedida, como
calor, para a vizinhança desse sistema.
Ocorre transferência de energia,
como calor, para a vizinhança do
sistema: Q<0.
∆Eint = Q + W
UMA GARRAFA TERMO
OU VASO DE DEWAR
Se a temperatura do exterior da garrafa
for, por exemplo, de 20º C, a temperatura
da substância no seu interior mantém-se
paticamente inalterável.
Na prática, é um sistema
isolado termicamente.
∆Eint = Q + W = 0 A variação de energia interna do sistema é nula. A energia
interna do sistema mantém-se praticamente constante.
Q = 0 e W = 0
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
Q = m c ∆T c - capacidade térmica mássica
C = m c C - capacidade térmica
Vimos que a energia transferida como calor entre dois sistemas se
não ocorrer mudança de fase era dada por:
E se ocorrer mudança de fase? Como calcular, por exemplo, a energia
necessária para a água passar do estado sólido para o estado líquido e
desta para o estado gasoso?
E = m ∆H ∆H - Variação de entalpia
Q = C ∆T
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
∆H - Quantidade de energia recebida ou cedida pela unidade de
massa de uma substância ou material para que sofra uma mudança de
estado físico – variação de entalpia
Qualquer transferência de energia conduz
a diminuição de energia útil, apesar da
energia total se manter constante, pois
uma parte deixa de estar disponível para
a realização de trabalho.
A segunda lei da Termodinâmica prevê esta degradação.
Os processos que ocorrem espontaneamente na Natureza dão-se
no sentido da diminuição da energia útil.
MÁQUINA A VAPOR Sistema em que há degradação de energia
James Watt 1736-1819
DEGRADAÇÃO DA ENERGIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
No entanto em qualquer
destas situações há
degradação de energia.
A quantidade de energia
fornecida é superior à
quantidade de energia
produzida.
Realizam trabalho a
partir de transferências
de energia.
A máquina a vapor o
avião e o canhão são
exemplos de máquinas
térmicas.
Para que
um sistema
realize
trabalho
é necessário
fornecer-lhe
energia.
MÁQUINAS TÉRMICAS
Trabalho Útil
Ambiente
A locomotiva a vapor é uma
máquina térmica.
Tem por base os princípios
desenvolvidos por James Watt.
James Watt 1736-1819
O carvão é queimado na fornalha.
O calor libertado aquece a água contida numa
caldeira até à ebulição.
O vapor de água produzido faz movimentar um
êmbolo que está associado às rodas da locomotiva,
permitindo o seu movimento.
Os gases que se libertam da queima do carvão saem
pela chaminé.
Físico Escocês
BALANÇO ENERGÉTICO NUMA
MÁQUINA A VAPOR
Q´ - calor cedido ao meio ambiente
A energia transferida à máquina, como calor, não é
integralmente utilizada para realizar trabalho mecânico.
Parte desta energia é libertada, como calor, através da
chaminé – corresponde à energia dissipada.
Transformações semelhantes à do exemplo dado
levaram William Thomson (Lord Kelvin) a formular
o seguinte postulado.
POSTULADO DE KELVIN
Nenhum sistema termodinâmico, que funcione de modo
cíclico pode transferir calor de uma única fonte,
transformando-o integralmente em trabalho.
Este postulado é um dos possíveis enunciados da 2ª Lei da
Termodinâmica. A locomotiva a vapor é uma aplicação desta Lei.
POSTULADO DE KELVIN
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Físico Irlandês
APLICAÇÕES DO POSTULADO DE KELVIN
EM PROCESSOS INDUSTRIAIS
Balanço Energético numa Central Térmica
Q´1 – calor perdido na caldeira.
Q´2 – calor perdido por arrefecimento no condensador.
Q´3 – calor perdido nos circuitos do alternador e do transformador.
MÁQUINAS TÉRMICAS
Um dos principais objetivos de quem
constrói uma máquina térmica, é que
esta tenha o maior rendimento
possível.
POSTULADO DE CLAUSIUS
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
POSTULADO DE CLAUSIUS
É impossível transferir calor, espontaneamente,
de um sistema a temperatura mais baixa para
outro sistema a temperatura mais alta.
Físico Alemão
Quando se adiciona o chocolate quente ao gelado, o
calor transfere-se, espontaneamente, num único
sentido:
do chocolate para o gelado até se atingir o equilíbrio
térmico.
Só é possível transferir calor de uma
fonte fria para uma fonte quente
através da realização de trabalho.
Ex: frigorífico, arcas congeladoras e
bombas de calor.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A eficiência de uma máquina frigorífica é
o quociente entre a energia sob a forma de
calor que sai da fonte fria, Qf, e o trabalho
necessário para realizar essa transferência de
energia. Pode ser superior a 1. A eficiência
típica de uma máquina frigorífica varia entre
4 e 6.
Uma eficiência igual a 5, significa que o
frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria
(interior do frigorífico) para a fonte quente
(exterior), por cada 1 J de energia elétrica
que consome.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A quase totalidade dos fenómenos que ocorrem são irreversiveis.
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Em 1865, Clausiús estabeleceu uma lei que necessitou da definição
de uma nova variável de estado termodinâmica – ENTROPIA – e
que mede a desordem que ocorre na estrutura de um sistema à
medida que este evolui.
A quase totalidade dos fenómenos que
ocorrem são irreversíveis.
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
ENTROPIA
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
A queda de uma bola também
é um processo irreversível.
Ocorre num só sentido.
É impossível a ocorrência espontânea de
um processo irreversível, no qual há
uma diminuição total da entropia.
Um corpo quente em contacto com um corpo
frio não pode aquecer.
A entropia de um sistema isolado não pode
diminuir.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
LEI DA NÃO DIMINUIÇÃO DA ENTROPIA
Físico Irlandês
A entropia do universo nunca diminui
Nos processos espontâneos, há diminuição de
energia útil.