termodinÂmica. termodinâmica é a ciência que trata do calor e do trabalho das características...
TRANSCRIPT
TERMODINÂMICA
Termodinâmica é a ciência que trata
• do calor e do trabalho• das características dossistemas e• das propriedades dosfluidos termodinâmicos
Sadi Carnot1796 - 1832
James Joule1818 - 1889
Rudolf Clausius1822 - 1888
Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907
Emile Claupeyron1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores que construíram 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 : decréscimo 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 isolado
Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.
Sistema fechado
Sistema 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
ProcessosProcessos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico 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
τ > 0 → energia que sai do sistema
τ < 0 → energia que entra no sistema
Q > 0 → calor que entra no sistema
Q < 0 → calor que sai do sistema
1a Lei
Q = τ + ΔU
Sistema Fechado
τ
∆U = Q - τGás
Expansão nula
τ = 0
ΔU depende apenas de ΔT.
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 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.
Q = τ + ∆U
τdepende de
como a pressão e
volume mudam no processo.
∆V = V2 -V1 τ = p . ∆V
1ª Lei da Termodinâmica
U = Q - τ
Transformação a pressão constante
Processo isobárico
τ
Processo isovolumétrico
1ª Lei da Termodinâmica U = Q
Transformação a volume constante
∆V = 0 τ = 0
∆U = 0 → ∆T=0
Processo Isotérmico
Transformação a temperatura constante
1ª Lei da Termodinâmica
Q = τ
τ
Q = 0
O processo ocorre tão rapidamente que o
sistema não troca calor com o exterior.
Processo adiabático
1ª Lei da Termodinâmica
U = - τ
τ
“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
Eficiência térmica: 1ªLei
ττ = Q1 – Q2
Ciclo Refrigerador
Quando expandimos um gás, sua pressão diminui, assim como sua
temperatura. Por um cano fino que passa pelo interior da geladeira, um gás É solto e
se expande a baixa pressão. Nessa expansão, a temperatura do gás diminui. Com isso, o gás retira calor do ambiente
que está a sua volta, ou seja, do interior da geladeira.
Um compressor que está na geladeira comprime o gás (freon, em geral) que se
encontra numa câmara. Atrás da geladeira existe outro cano, fino e comprido, por onde o gás sai do interior da geladeira. Ele libera
o calor para aatmosfera, para novamente repetir o
processo.
1) ADMISSÃOA válvula de
admissão se abre, a mistura de
ar+combustível entra no cilindro
enquanto o pistão (ou êmbolo) desce.
2) COMPRESSÃOA válvula de admissão se fecha, o pistão sobe, comprimindo no
alto do cilindro a mistura ar+combustível. Como essa é uma compressão muito rápida, não há tempo de haver troca de
calor entre a mistura combustível e o ambiente, isto é, trata-se de uma compressão adiabática e por causa disso, a temperatura
da mistura aumenta.
3) EXPLOSÃOA vela de ignição dispara uma centelha elétrica provocando a
combustão rápida (explosão) da mistura ar+combustível. Essa
explosão gera calor e a conseqüente expansão dos
gases dentro do cilindro, empurrando para baixo o
pistão. Note que, dos quatro tempos, esse é o tempo em que há realização de trabalho feito
pelo gás.
4) DESCARGA (OU EXAUSTÃO)A válvula de descarga se abre enquanto o pistão sobe empurrando o gás queimado (fumaça) para fora do cilindro.
O rendimento da Máquina de Carnot
No ciclo:
∆U=0 → τ = Q1 - Q2
η = τ/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
η = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
η = 1 - T2/T1
BC e DA = adiabáticas
Ciclo reversível
A máquina ideal de Carnot
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"
Transformaçõesmáquinas térmicas - Diagrama PV