11-11-2010

1

Sistemas termodinâmicos

Prof. Luís C. Perna

Variáveis de estado

Embora já na Antiga Grécia

tenham sido construídas

pequenas máquinas térmicas

com fins meramente recreativos,

o grande desenvolvimento da

Termodinâmica ocorre na

Revolução Industrial,

nomeadamente com os estudos

que conduziram a melhorias na

eficiência energética das

máquinas a vapor.

BREVE HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA

11-11-2010

2

Nessa época, a Termodinâmica baseava-se

apenas no estudo das propriedades

macroscópicas dos sistemas, como a

pressão, o volume ou a temperatura. No

início do século XX, surgiu a Teoria Cinético-

Molecular que já interpretava as

propriedades macroscópicas dos sistemas

termodinâmicos em termos microscópicos,

isto é, essas propriedades passaram a ser

definidas em função do comportamento

mecânico do grande número de átomos e

moléculas que constituem os sistemas.

BREVE HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA

Teoria Cinético-Molecular

A termodinâmica é a ciência que trata:

A TERMODINÂMICA

• do calor e do trabalho

• das características dos sistemas e

• das propriedades dos fluidos termodinâmicos

11-11-2010

3

Sadi Carnot

1796 - 1832

James Joule

1818 - 1889

Rudolf Clausius

1822 - 1888

Wiliam ThomsonLord Kelvin

1824 - 1907

Emile Claupeyron

1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica

Grandezas macroscópicas mensuráveis e que servempara caracterizar o sistema.

Extensivas: Volume (V), Energia interna (U), …

Intensivas: Temperatura (T), Pressão (P), …

VARIÁVEIS DE ESTADO OU VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS

As quantidades com as quais podemos caracterizar um sistema

termodinâmico designam-se por variáveis de estado, e estas têm o

mesmo valor em todas as partes do sistema.

Normalmente as variáveis de estado não são quantidades

independentes entre si, ou seja, a mudança de uma variável, implica a

alteração de uma outra ou mais variáveis.

11-11-2010

4

Interpretação microscópica medida da energia cinética média dos átomos

ou moléculas que constituem o sistema.

(gases: energia cinética de translação; sólidos: energia cinética de vibração)

TEMPERATURA

TEMPERATURA DUM CORPO

Os corpos são constituídos por

partículas (átomos, moléculas e

iões) em constante movimento.

O estado físico dum corpo limita a

liberdade de movimentos das

partículas que o constituem.

A temperatura de um corpo é, uma

medida da energia cinética média

das partículas que constituem o

corpo.

11-11-2010

5

A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA

Num sólido, a energia interna cinética das partículas resulta

principalmente dos seus movimentos vibratórios em torno das posições que

ocupam na rede cristalina. Ao aquecemos o sólido, a amplitude das

vibrações aumenta, o que se traduz, a nível macroscópico, num aumento da

temperatura do corpo.

A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA

Nos líquidos, as partículas não ocupam posições fixas em redes cristalinas,

podem executar movimentos de translação, de rotação e de vibração, mas,

tal como nos sólidos, quanto maior é a energia cinética média das partículas

maior é a temperatura do corpo.

11-11-2010

6

A TEMPERATURA E O ESTADO FÍSICO DA MATÉRIA

Nos gases, as partículas estão muito afastadas uma das outras,

executando principalmente movimentos de translação com trajectórias

rectilíneas e mudam de direcção quando as partículas colidem umas com as

outras ou com as paredes dos recipientes que as contêm. Quanto maior for

a temperatura de um gás, maior será a energia cinética média das

partículas.

Definição operacional grandeza que se mede com um termómetro.

A temperatura é lida no termómetro ao fim de um

certo tempo (tempo de relaxação), quando A e B

atingirem o equilíbrio térmico.

TEMPERATURA

11-11-2010

7

Temperatura – grandeza que permite avaliar o grau de

calor de um corpo.

A temperatura desempenha um papel essencial em quase

todos os campos da ciência como, por exemplo, na

Química, no estudo das propriedades de muitos

materiais.

Para medir a temperatura utiliza-se o termómetro e para

exprimir os seus valores são utilizadas três escalas

distintas, sendo as suas unidades expressas em:

– Kelvin (K) - é a unidade do Sistema Internacional (SI)

– Celsius (ºC)

– Fahrenheit (ºF)

TEMPERATURA

A escala de temperaturas adoptada no Sistema Internacional (SI) utiliza

como unidade o kelvin (K).

As temperaturas na escala Kelvin são designadas temperaturas absolutas e

representam-se, simbolicamente, por T.

O zero da escala Kelvin, o zero absoluto (0 K), é a temperatura para a qual

não haveria qualquer agitação das moléculas constituintes de um dado

sistema.

O zero absoluto não pode ser alcançado experimentalmente, embora já se

tenham obtido valores de temperatura muito próximos desse limite teórico.

ESCALA DE TEMPERATURA NO SI

11-11-2010

8

ESCALAS DE TEMPERATURA

ESCALAS DE TEMPERATURA

11-11-2010

9

Quando dois corpos a

temperaturas diferentes, são

postos em contacto, transferem

energia entre si até se atingir o

equilíbrio térmico, ou seja, até

que a energia recebida pelos

corpos seja igual à energia por

eles emitida.

Nestas condições verifica-se que

estes atingem uma temperatura

constante.

EQUILÍBRIO TÉRMICO

Quando colocamos dois corpos ou

sistemas, que se encontram em

equilíbrio térmico, em contacto com

um terceiro haverá transferência de

energia entre os vários corpos ou

sistemas.

Esta transferência de energia irá

decorrer até que todos os corpos

apresentem a mesma temperatura,

ou seja, até que se atinja o

equilíbrio térmico.

Esta evidência é traduzida pela Lei

Zero da Termodinâmica.

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

11-11-2010

10

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Efectue as seguintes conversões de temperatura:

1. 473 K = ______°C

2. 18 °C = ______°F

3. 212 °F = ______°C

4. 389 °C = ______ K

5. -187 °F = ______ K

6. 273 K = _______ °F

EXERCÍCIO 1

Respostas: 1. 199,9; 2. 64,4; 3. 100,0; 4. 662,2; 5. 151,5; 6. 31,7

11-11-2010

11

Em determinadas zonas da Terra atingem-se -76,0 °F.

1. Que valor apresentaria nessa região um termómetro em graus Celsius?

2. Exprima a mesma temperatura em kelvin.

Soluções:

1. A expressão que relaciona uma temperatura em graus Celsius com uma

temperatura em graus Fahrenheit é dada por q = 5/9 (t – 32,0). Substituindo t

por -76,0 ºF, obtemos q = - 60,0 °C.

2. A relação entre uma temperatura em graus Celsius e uma temperatura em

kelvin é T = q + 273,15, o que permite escrever T = - 60,0 + 273,15 <=> T =

213,2 K.

EXERCÍCIO 2

Observe a seguinte imagem, onde constam três corpos em equilíbrio

térmico.

1. Se a temperatura do corpo C for 20 °C, indique, justificando, qual a

temperatura dos corpos A e B.

2. Apresente a temperatura do corpo C na escala Kelvin.

3. Se aumentarmos a temperatura do corpo B, o que acontece à temperatura

dos corpos A e C?

EXERCÍCIO 3

Respostas: 1. qA = qB = 20 ºC; 2. T = 293,15 K; 3. Aumentam

11-11-2010

12

Pressão – Consideremos uma superfície de área S, submetida a

forças que lhe são perpendiculares e cuja resultante é .

Chama-se pressão média, pm, ao módulo da força , que é

exercida por unidade de área.

F

F

S

Fpm

NOÇÃO DE PRESSÃO

Se a pressão for a mesma em todos os pontos de uma superfície, a

pressão média, coincide com a pressão em qualquer ponto.

Se a pressão variar de ponto para ponto, a pressão num ponto, será o

limite para que tende a pressão média, quando a superfície tende para

zero.

Unidade de pressão do SI é o newton por metro quadrado, N/m2, que

se designa por pascal, Pa.

S

Fp

S

Fp

S

0lim

NOÇÃO DE PRESSÃO

11-11-2010

13

Pressão:• força por unidade de área• independente da orientação da superfície• forças de pressão sempre perpendiculares à superfície

S

Fp

NOÇÃO DE PRESSÃO

A energia interna de um sistema é

a soma das energias cinética e

potencial dos seus corpúsculos.

A energia interna representa-se,

simbolicamente, por Ei ou por U.

Tem componentes:

• Do tipo cinético, que se associa

aos movimentos desordenados

dos corpúsculos;

• Do tipo potencial, que se

relaciona com as posições

relativas dos corpúsculos.

ENERGIA INTERNA

11-11-2010

14

ENERGIA INTERNA

Para um mesmo sistema quanto maior for a sua massa, maior será a

sua energia interna.

ENERGIA INTERNA E MASSA

11-11-2010

15

A temperatura mede a agitação das partículas, logo, está relacionada com a

energia cinética média dos corpúsculos que constituem a matéria.

Quanto maior for a temperatura, maior será a energia interna do sistema,

uma vez que a sua energia cinética interna (a nível microscópico) será maior.

ENERGIA INTERNA E TEMPERATURA

ENERGIA INTERNA E TEMPERATURA

11-11-2010

16

Classifique as seguintes proposições em verdadeiras (V) ou falsas (F).

A. Dois copos com a mesma quantidade de água e que estejam à mesma

temperatura podem ter energias internas diferentes.

B. Uma quantidade de água que esteja a 100 °C nunca pode ter energia interna

inferior a outra quantidade de água que esteja a 0 °C.

C. A energia interna de um corpo depende dos valores da quantidade das

energias cinéticas e energias potenciais das partículas que constituem o

corpo.

D. A energia associada ao movimento das partículas é potencial e a energia que

as partículas "armazenam", quando interagem entre si, é cinética.

EXERCÍCIO 4

Verdadeiras: C Falsas: A, B e D

Colocaram-se 500 mL de água em contacto com 500 mL de gelo.

Complete as afirmações riscando a(s) palavra(s) que não

interessa(m).

A. A água vai transferindo energia/calor para o gelo até atingirem o

equilíbrio térmico. Deste modo, o(a) temperatura/calor do gelo vai

diminuindo/aumentando e a da água vai diminuindo/aumentando.

B. Quando se atinge o equilíbrio térmico, o(a) temperatura/calor da

água é igual/maior/menor à temperatura do gelo entretanto fundido.

EXERCÍCIO 5

11-11-2010

17

Complete as seguintes frases, riscando a palavra que não interessa.

Se considerarmos dois corpos com temperaturas diferentes, o que possui

maior temperatura/energia interna não é necessariamente o que tem maior

temperatura/energia interna. Por exemplo, 500 mL de água à

temperatura/energia interna de 25 °C tem uma temperatura/energia interna

superior a 50 mL de água a 100 °C.

EXERCÍCIO 6