Termodinamica - Quimica Basica

Termodinamica - Quimica Basica

(Parte 1 de 3)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

TERMODINÂMICA

VICTOR LENNON FIRMINO BORGES

NATAL

DEZEMBRO - 2009

VICTOR LENNON FIRMINO BORGES

TERMODINÂMICA

Trabalho apresentado ao Professor Ricardo Silveira Nasar

da disciplina QUI0311 - Química Básica,

turma 03, turno matutino.

UFRN

Natal - 08/12/2009

SUMÁRIO

1- INTRODUÇÃO p.4

2- TERMODINÂMICA: CONCEITOS BÁSICOS p.7

3- CAPACIDADES CALORÍFICAS p.11

4-PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA p.12

5- SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA P.17

6- CONCLUSÃO p.22

7- BIBLIOGRAFIA p.23

1-INTRODUÇÃO

O presente trabalho visa apresentar ao leitor um apanhado geral e despretensioso sobre a Ciência da Termodinâmica colocando, de forma bastante sucinta e pela ordem em que são apresentados, um resumo histórico dos principais fatos, descobertas e importantes personagens que contribuíram enormemente para o desenvolvimento e a apresentação formal das teorias e modelos que até os dias de hoje regem os fenômenos da Termodinâmica.

Em seguida são apresentados os conceitos básicos da Termodinâmica, Capacidade Calorífica, e as formulações formais da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica.

Na seqüência, encerrando a presente pesquisa bibliográfica, são apresentados os conceitos básicos de Entropia e Energia Livre.

1.1-A Ciência da Termodinâmica

O desenvolvimento da Termodinâmica pode ser traçado de volta nos tempos até os primórdios da história da humanidade. O uso da força dos animais de tração por volta de 4000 A.C e representou a principal fonte de energia até o século 19, D.C. Por volta do ano 3500 A.C., carros com rodas começaram a ser usados na Mesopotâmia. O uso da energia (no contexto que hoje a "entendemos") estava associado à energia proveniente de animais e/ou de escravos.

Moinhos de água, jatos de vapor e inúmeros mecanismos eram usados à época de Cristo. Durante o primeiro século d.C, o grego Hero construiu a primeira turbina, sem nenhum objetivo a não ser o de se distrair. Era uma turbina de reação, entendida hoje pela 3a. Lei de Newton sobre a ação e a reação. Representa, não obstante sua "inutilidade prática", o conceito termodinâmico de converter energia inanimada contida no combustível em algum efeito (o movimento).

Por outro lado, com o continuado e provavelmente desordenado crescimento das cidades, uma das tarefas críticas era a retirada e o transporte de águas provenientes dos poços, localizados cada vez mais longe, até as fontes públicas. O homem começou a também a realizar escavações mais profundas para a retirada de água das minas de carvão que ficavam inundadas. As necessidades cresciam e a tração animal passou a não ser mais suficiente. Era preciso descobrir-se novas fontes de energia, assim, os primeiros usos do vapor para atender às necessidades sociais começaram a aparecer ao final do século XVII.

Em 1601, Giovanni Baptiste della Porta, observou que era possível elevar água até alguma câmara superior se esta fosse preenchida com vapor a ser condensado. Outros tantos observaram o mesmo fenômeno sem nenhuma explicação. Curiosamente, em 1629 Giovanni Branca concebeu a idéia de uma turbina de impulsão, que funcionava segundo um princípio diferente da de Hero. Em 1643, EvangelistaTorricelli, uns dos últimos alunos de Galileu, e BlaisePascal, inventaram o barômetro, invertendo um tubo contendo mercúrio selado no topo. O instrumento era usado para se medir altitudes.

Mais tarde, em 1659, RobertThornton, de uma região mineira na Inglaterra, experimentando com a elevação de líquidos por sucção, concluiu que havia uma altura limite que a água poderia ser elevada. Em 1698, ThomasSavery (1650-1715) descobriu uma maneira de se arranjar tanques e operações manuais para se utilizar vapor e sua energia para bombear água de um poço. Ele usou as observações de Torricelli sobre o vácuo e as de della Porta sobre a capacidade de elevação da sucção, além da técnica de condensação proposta por Thornton.

Embora sejam marcos históricos do uso de energia de fonte não-animal, fato é que a máquina de Hero era só um brinquedo e a eficiência da máquina de Savery era tão pequena que fazia pouca diferença sobre a tração animal. Entretanto, a baixa eficiência da máquina de Savery não era importante na época, pois os combustíveis tinham custos baixíssimos, e, por isso, sua máquina obteve um imenso sucesso financeiro já que a mesma podia substituir dezenas de cavalos para o desempenho de muitas tarefas. ThomasNewcomen (1663-1729), em 1712, desenvolveu, com seu parceiro John Calley (quem de fato construiu a nova máquina), um novo conceito: o uso de um conjunto cilindro-pistão para o bombeamento de água e constitui o que hoje entendemos ser a primeira máquina térmica, pois seu funcionamento era cíclico. Foi ajudado neste desenvolvimento por RobertHooke. A máquina era conhecida como a "máquina atmosférica" pois combinava vácuo e pressão atmosférica para fornecer o curso de potência. A máquina de Newcomen foi um sucesso instantâneo. Apesar disso, Newcomen não registrou patente de sua máquina e se ligou à firma de Savery. Após a morte deste, em 1715, Newcomen formou uma nova companhia para continuar detendo todas as patentes. Ele deteve o controle completo do mercado até 1733, quando as patentes expiraram. O declínio aconteceu quando John Smeaton (1724-1792) conseguiu melhorar o processo de fabricação daquelas máquinas, sem implementar nenhuma melhoria. Smeaton foi o primeiro engenheiro a se autodenominar engenheiro civil, por se opor aos engenheiros militares.

Com melhores recursos para a fabricação de peças necessárias, JamesWatt introduziu, com o auxílio de JosephBlack, eminente professor de engenharia da Universidade de Glascow e uma das maiores autoridades sobre vapor d´água da época, um motor com o mesmo conjunto cilindro-pistão de Newcomen com significativas melhorias. Primeiramente operada em 1775 para se bombear água, sua máquina representou a primeira de uma grande seqüência de máquinas, cada qual com novas melhorias e maiores potências de forma que logo estas foram utilizadas em locomotivas, navios, guindastes, entre outros maquinários e equipamentos.

A formalização da Termodinâmica como ciência começou provavelmente por volta de 1592, quando Galileu usou algo parecido como o nosso termômetro para fazer uma primeira medição de temperatura. A falta de precisão, de repetibilidade, a grande dependência nas habilidades do usuário, etc., foram superadas pela descrição sobre o grau de calor ou de frio emanados pelos objetos.

A teoria da Termodinâmica começou a tomar alguma forma em 1693, quando o brilhante matemático G.W. Liebnitz pronunciou o princípio da conservação da energia mecânica (cinética e potencial). SadiCarnot publicou em 1824 um tratado discorrendo sobre máquinas térmicas, mecanismos cíclicos, etc., relacionando-os com a Primeira e a Segunda Lei (ou princípios) da Termodinâmica. Em 1850, 26 anos mais tarde, Rudolph Clausius enunciou formalmente estas duas leis e em 1854, ele identificou e definiu a propriedade que hoje é chamada de entropia.

De 1840 a 1848, James Joule provou experimentalmente a equivalência entre calor e trabalho, fazendo com que a Termodinâmica passasse a ser uma ciência quantitativa. O motor de combustão interna usado em automóveis foi desenvolvido por Lenoir em 1860. Em 1884, Parson apresentou uma turbina a vapor capaz de desenvolver grandes potências.

No início do século XX, Nernst e Planck, separadamente, propuseram as definições iniciais da Terceira Lei da Termodinâmica.

2- TERMODINÂMICA: CONCEITOS BÁSICOS

A termodinâmica relaciona as trocas de energia entre um sistema (gasoso) e o meio externo. Essas trocas podem acontecer envolvendo calor, energia interna e trabalho.

Melhor definindo, a Termodinâmica é a ciência que estuda as interações de energia nas quais as variações de temperaturas são importantes. Ela é uma ciência cujas leis são fundamentalmente baseadas na experiência do dia a dia da vida prática. Assim, todo e qualquer evento, acontecimento ou processo até hoje realizados aconteceram de forma a atender tais leis. Em outras palavras, nenhum processo real ocorrido contrariou seus princípios.

A Ciência da Termodinâmica teve um grande desenvolvimento a partir do momento que as máquinas térmicas começaram a se popularizar e um melhor entendimento teórico dos processos se fez necessário para o aumento das suas eficiências.

2.1-Trabalho em uma transformação  

A termodinâmica, como já foi dito, estuda as relações entre as quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados em um processo físico envolvendo um corpo ou um sistema de corpos.

Por condução, o calor se transfere de um corpo para outro em conseqüência de choques moleculares. Quanto maior a temperatura, maior as velocidades moleculares e mais freqüentes os choques, ocorrendo então, transferência de energia cinética para as moléculas de menor velocidade e, portanto, menor temperatura.

O trabalho também se relaciona com transferência de energia, no entanto, o trabalho corresponde a trocas energéticas sem influência de diferenças e nisso se distingue do calor. O trabalho não depende da temperatura e é realizado por uma força F.

Quando o sistema como um todo, produz um deslocamento ao agir com uma força sobre o meio exterior, o trabalho realizado é denominado trabalho externo.

Quando o trabalho executado por uma parte do sistema sobre outra do mesmo sistema é chamado de trabalho interno.

O trabalho é uma grandeza algébrica e assume nem sempre o sinal da variação de volume (V), uma vez que a pressão p é sempre positiva.

Em uma expansão, a variação de volume é positiva e, portanto o trabalho realizado é positivo. Como o trabalho representa uma transferência de energia, o gás ao se expandir, está perdendo energia, embora a esteja também recebendo sob forma de calor da fonte térmica.

O trabalho realizado em uma transformação termodinâmica depende não só do estado inicial e final, como também dos estados intermediários, isto é, do caminho entre os estados inicial e final.

A energia total de um sistema é composta de duas parcelas: a energia externa e a energia interna.

A energia interna dos sistemas relaciona-se com suas condições intrínsecas. Num gás correspondente às parcelas: energia térmica, energia potencial, energias cinéticas atômicas e moleculares.

Em um sistema, não se mede diretamente a energia U, mas, é importante conhecer a variação da energia interna U do sistema durante um processo termodinâmico.

Há processos em que a energia interna varia e a temperatura permanece constante. A energia recebida (calor latente) aumenta a energia interna do sistema durante o processo.

Nas transformações gasosas, a variação de energia interna U é sempre acompanhada de variação de temperatura (T).

Suponhamos um gás encerrado num cilindro dotado de um pistão móvel, de área A, que sofre um deslocamento .

   A força aplicada pelo gás, perpendicular ao cilindro, é:

 

  

Como a área do cilindro multiplicada pelo seu deslocamento é igual a variação de volume  sofrida pelo gás  resulta que:

  

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