TERMODINÂMICA

Prof. Rangel

GÁS

Gás é um estado físico da matéria onde as moléculas tem maior energia e

grau de liberdade.

Características:

o O volume é igual ao do recipiente que o contem.

o Alta compressibilidade;

o Volume variável de acordo com a temperatura

e pressão;

As equações termodinâmicas funcionam bem para

gases ideiais.

Sempre que um gás sofre uma modificação em pelo menos uma de suas Variáveis

de estado, dizemos que o gás sofreu uma TRNASFORMAÇÃO GASOSA

Compressão Expansão

O Gás Ideal e as Variáveis de Estado

Gas ideal (teoria cinética dos gases):

❑ A tamanho das partículas é despresível em relação a distancia média das

moléculas.

❑ As partículas não interagem entre si;

❑ Gases reais podem ser aproximados a gases perfeitos em altas

temperaturas e baixas pressões;

Variáveis de Estado:

❑ O choque entre as partícullas e estas com as paredes do

Recipiente, é do tipo elástico ;

Todo gás em um sistema termodinâmico pode ser

representado pelas suas variáveis de estado.

T → temperatura

p → pressão

V → volume

A constante de Avogadro e a Equação de Ckayperon

Mol: medida de quantidade de matéria no SI.

1 mol de moléculas tem → 6,02 x 1023 partículas.

Número de moles (n)

m : massa da amostra;

Mol : massa molar (massa presente em

1,602 x 1023 partículas/moléculas);

Ex: Quantos moles de moléculas (e quantas moléculas) estão presentes em

200g de gás hidrogênio (H2)? M.molar do H = 1g/mol. Que volume ocupara este

gás em litros (supondo p = 1atm e T = 0°C)?

As Transformações Gasosas

São 4 as transformações gasosas:

Transfomação Isotérmica: Sem variação de temperatura.

Transfomação Isobárica: Sem variação de pressão.

Transfomação Isovolumétrica: Sem variação de volume.

Transfomação Adiabática: Sem trocas de calor.

A equação de Clayperon (relaciona as variáveis p, T, V):

p em atm, V em liros (L) e T em K (Kelvin).

A Tranformação Isotérmica

▪ A temperatura do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas

pressão e volume.

P1, V1 P2, V2

V1

V2

1: Expansão isotérmica.

2: Compressão isotérmica.

A Tranformação Isobárica

▪ A pressão do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas

temperatura e volume.

T1, V1 T2, V2

p1 = p2 = …. = pn

A pressão constante, o

volume ocupado por um

gás é diretamente pro

porcinal a sua tempera

tura.

A Tranformação Isocórica ou Isovolumétrica.

▪ O volume do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas

temperatura e pressão.

p1, T1 p2, T2

O aumento da temperatura é proporcinal ao aumento de pressão.

A Tranformação Adiabática

▪ Neste tipo de transformação não há trocas de calor do gás com o ambiente

externo.

▪ O aquecimento do gás se da pelo aumento de sua energia interna (energia

cinética) e o resfriamento pela sua expansão (diminuição da energia interna/ ciné

tica).

▪ São reações rápidas sem que haja tempo para que ocorra trocas de calor;

p1, V1, T1 p2, V2 T2

Gás é comprimido

T aumenta.

Gás expande

T diminui.

Uma transform. Adiabática é regida pela

Equação Geral dos Gases Perfeitos:

Gráfico de uma transformação

adiabática. Exemplo de uma expansão adibática.

Processo termodinâmico cíclico onde

V, p e T variam.

Conceito de termodinâmica

É a área da física que estuda as causas e os efeitos das mudanças de

temperaturas (volume e pressão) em sistemas termodinâmicos.

Termo

Dinâmica

temperatura

movimento

Termodinâmica

Estuda as transformações de energia; variações de energia térmica em

trabalho útil (movimento útil) Conversão entre calor e trabalho.

Maquinas térmicas Motores a vapor;

Motores de combustão interna;

Refrigeradores;

Contexto histórico

❖ Antes mesmo da termodinâmica surgiram as máquinas térmicas

a vapor.

❖ A primeira máquina térmica surgio na grécia, criada por Heron de Alexandria (eolípila)

❖ Em 1712 o engenheiro Thomas Newcomem construiu a primeira

máquina a vapor para retirada de água das minas de carvão

❖ Em 1765 o mecânico escosês James Watt aperfeiçoou a méquina

de Newcomem tornando-o mais eficiente – deflagra a revolução industrial

Primeiras máquinas térmicas (Revolução Industrial)

Modelo “portátil” da máquina de

James Watt utilizada em bombas e

acionamento de tearesMáquina atmosférica de Newcomen.

Máquinas a vapor de Watt e Newcomen.

volante

Correia de transmissão

(acionamento de máquinas)

Admissão

de vapor quente

Exaustão

de vapor frio

Cilíndro e pistãoadmissão

descarga

Motor a vapor de dupla ação utilizado nas locomotivas a vapor.

Relação trabalho calor

+Q

> 0

Trabalho positivo: sistema (gás) executa trabalho

sobre o ambiente

-Q

< 0

Trabalho negativo: ambiente executa trabalho

sobre o sistema (gás).

gás

Gás é aquecido (recebe calor)

e expande empurrando o pistão

Gás é resfriado (perde calor)

e comprimido pelo pistão

p p

= p. ΔV Trabalho: pressão do gás x variação de volume

Primeira Lei da Termodinâmica

A variação de energia interna de um gás ΔU, num processo termodinâmico,

é dado pela diferença entre a quantidade de calor Q trocada com o meio e o

trabalho realizado no processo.

+Q

gásΔU

-Q

ΔU = Q -

ou

= Q - ΔUO trabalho realizado por um gás depende da quantidade

de calor absorvido ou perdido por este gás descontando

deste calor o que o gás absorveu para aumentar sua

energia térmica.

Um cilindro munido de um pistão contem gás ideal a temperatura de 273 K,

pressão de 1,02 x 105 N/m2 e volume 2,24 x 10-2 m3.

Uma força externa F atua sobre o pistão, reduzindo o volume do gás para

2,22 x 10-2 m3. A pressão se mantém contante no processo.

Calcule:

a) O trabalho realizado sobre o gás;

b) O trabalho realizado pela força externa;

c) A temperatura final do gás.

Transformação Cíclica (sentido horário)

+Q

> 0

-Q

< 0

p

p

É a transformação em que o sistema retorna ao seu estado inicial

após uma compressão e/ou expansão

O ciclo térmico do gás gera um movimento de sobe e

desce no pistão; movimento utilizado para acinamento

mecânico

> 0

p

v

Máquina Térmica

▪ Opera entre trocando calor entre um reservatório quente e outro frio.

▪ Seu funcionamento se baseia nas transformações gasosas que ocorrem

no fluído de trabalho (série de expansões e contrações, absorvendo e eliminando

calor).

▪ O gás executa ou recebe trabalho atraves de uma parte móvel do motor (pistão –

Biela, compressor – turbina ect).

Segunda Lei da Termodinâmica

É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito único retirar calor

de uma fonte térmica e converte-la integralmente em trabalho .

Q1

Q2

Fonte quente

Fonte fria

T1

T2

Máquina

térmica

❖ A máquina térmica retira calor Q1 de uma

fonte quente a temperatura T1. Parte deste

calor Q2 é convertido em trabalho e outra parte

é rejeitada para uma fonte fria a T2

= Q1 – Q2

Nenhuma máquina térmica pode converter 100%

do calor recebido da fonte quente em trabalho.

Refrigerador

❖ O refrigerador é uma máquina térmica que trabalha no sentido inverso a segunda lei da termodinâmica,

ou seja, retira calor de uma fonte fria e devolve a uma fonte quente (sentido inverso a propagação natural de

calor). Como este processo não acontece naturalmente é preciso executar trabalho.

Q1

Q2

Fonte quente

Fonte fria T1

T2

compressor

Gás refrigerante

em expansão

endotérmica.

Gás comprimido

Liquefeito

(compressor exerce

trabalho sobre o gás)

Gás comprimido

liquefeito perde

calor na

Serpentina.

Rendimento de uma máquina térmica ()

❖ O rendimento de uma máquina térmica é fornecido pela equação:

❖ Nenhuma máquina térmica consegue ter um rendimento superior a uma Máquina de Canot

(máximo rendimento para uma máquina térmica operando entre as temperaturas

T1 e T2)

❖ A máquina térmica de Carnot foi idealizada Nicolas Sadi Carnout em 1824. sua

máquina teórica aperava com cliclos térmicos de gás ideal

Calor cedido a fonte

fria.

Calor absorvido da fonte

quente.

T. da fonte fria (em K)

T. da fonte quente (em K)

As máquinas térmicas funcionam em ciclos. Em cada ciclo elas absorvem

calor da fonte quente, produsem trabalho, e cedem calor a uma fonte fria.

Considere uma máquina térmica que efetue 5 ciclos por segundo. Em cada

ciclo ela recebe 300J de umafonte quente e rejeita 180J para uma fonte fria.

Determine:

O Ciclo de Carnot

Idealizado pelo engenheiro Francês Nicolas Sadi Carnot

(1796 - 1832).

Os postulados de Canot.

Nenhuma máquina operando entre duas fontes térmicas

tera rendimento maior que uma máquina de Carnot, ope

rando com as mesmas fontes térmicas.

Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de

Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o

fluído operante

O rendimento de uma máquina de Carnot:

Temperatura

da fonte fria.

Temperatura

da fonte quente.

Uma máquina térmica funciona de acordo com o ciclo de Carnot, fornece

100J em forma de trabalho em cada ciclo. As temperaturas das fontes

quentes e frias são, respectivamente, 327°C e 177°C.

Determine:

a) O rendimento da máquina;

b) A quantidade de calor trocada com as fontes;

Motores de combustão interna

❖ São chamados motores de combustão interna as máquinas térmicas cujo o combustível é

queimado dentro do cilíndo – a fonte quente é gerada dentro do cilíndro.

❖ Motores de carros, motos e similares que operam no Ciclo Diesel e Ciclo Otto

Motor de 4 tempos operando no Ciclo Otto

Vela de ignição

Duto de admissãoDuto de

exaustão

Válvulas

Admissão da mistura de ar + combustível vaporizado (gasolina e álccol)

Compressão da mistura até o ponto morto superior do pistão;

Explosão da mistura pela faisca da vela;

Exaustão dos gases da combustão;

1

2

3

4

Ciclo termodinâmico do motor de 4 tempos (ciclo padrão de ar Otto)

Compressão adiabática: compressão da mistura de ar e combustível a alta temperatura;

Aquecimento isocórico: fonte térmica (faísca da vela) eleva instantâneamente a pressão dos gases sem que

ocorra o deslocamento do pistão;

Expanssão adiabática: expansão brusca dos gases quentes empurrão o pistão para baixo;

Expanssão isocórica (volume constante): abertura do escapamento provoca rapida baixa de pressão (exaustão dos

gases da combustão)

BC

CD

DA

AB

p

v

D

A

C

B

Motor de 2 tempos

Mistura de ar e combustível

Bloco

Duto de exaustão

Motores de Reação