Termodinamica

Termodinamica

(Parte 1 de 4)

Fisica - Termodinâmica

2012

Índice

Índice 1

1.Resumo 2

2.Introdução 3

3.Objectivos 4

Trabalho e Calor 4

Equivalência entre calor e Trabalho 5

Máquinas térmicas 5

Temperatura 8

Expansão térmica 8

6.Gás perfeito 9

7.Relação entre a temperatura e a energia cinética média 11

8.Energia interna e Calor específico dos gases perfeitos 12

12.Transmissão de energia térmica 19

Conclusão 22

O presente trabalho abordou questões relacionadas com a termodinâmica como sendo o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. 22

Neste trabalho tem-se como aspectos importantes ou conclusões as seguintes: 22

A temperatura do corpo aquecido depende linearmente de calor fornecido; Fornecendo uma dada quantidade de calor ao corpo, a temperatura do mesmo subirá com certo valor, independente da temperatura inicial do corpo; Durante uma mudança de fase para uma outra a temperatura da substância (pura) permanece constante. Portanto, as duas fases estão em equilíbrio térmico; Como a energia cinética média das moléculas não varia, então durante uma mudança de fase, somente a energia potencial de ligação das moléculas varia, aumentando ou diminuindo; Todo calor adicionado durante uma mudança de fase transforma-se em energia potencial de ligação das moléculas; Para provocar uma mudança de fase de uma determinada quantidade da substância é necessária uma determinada quantidade de calor. Esta quantidade necessária é proporcional à massa da substância, pois cada quilograma desta precisa do mesmo aumento de energia potencial para passar de uma fase para outra. 22

Referências Bibliográficas 23

  1. Resumo

A energia conserva-se. Contudo, a contabilização da energia total de um sistema físico bem como o estudo dos seus processos de transferência implicam análise das interacções entre os constituintes elementares desses sistemas. Esta análise, feita de um modo efectivo numa escala macroscópica, é objecto da Termodinâmica e é consubstanciada nos seus princípios. No primeiro postula-se a convenção da Energia e a sua troca em forma de calor e /ou trabalho. No segundo estabelece-se a diferença qualitativa entre Energia Mecânica e Energia Térmica; se a primeira se pode transformar completamente na segunda, já tal não se verifica no processo inverso. A Termodinâmica é ainda a ciência dos engenheiros, das máquinas térmicas, seus rendimentos e eficiências.

A visão microscópica dos sistemas físicos é prosseguida na Física Estatística. O segundo princípio é agora interpretado em termos probabilísticos: um sistema evolui para os estados mais prováveis, ou a variação da entropia de um sistema fechado é sempre maior ou igual a zero, sendo a entropia a medida da probabilidade de um estado macroscópico. A Física Estatística dá igualmente acesso à distribuição de energia entre os constituintes elementares do sistema, o que permite compreender fenómenos tão diversificados como a variação de densidade da atmosfera com a altitude ou a radiação de um corpo negro. A Termodinâmica e a Física Estatística são chaves para a compreensão da organização da matéria nos seus diferentes estados, gases, líquidos e sólidos, bem como dos processos de transferência de energia térmica: condução, convecção, radiação.

  1. Introdução

O conceito de energia é um dos conceitos mais unificados na Física.

Graças a ele, processos de natureza diversa, envolvendo escalas muito diferentes podem tratar-se de forma semelhante. Há energia na água de uma barragem, na gasolina do automóvel, na luz do sol, na estrutura nuclear da matéria, nos alimentos que se comem. É essa energia que se vai manifestar na electricidade gerada a partir da turbina posta em movimento pela água em queda na barragem, no motor de explosão e no movimento do automóvel, no processo de fotossíntese das plantas e no seu crescimento, na cisão e fusão nucleares, nas contracções musculares e no esforço feito a empurrar objectos. Há, pois, energias de formas muito diversas que são energia mecânica, energia química, energia electromagnética e energia nuclear.

Em todos os casos a energia de um sistema traduz a capacidade desse sistema, em interacção com o que o rodeia, produzir trabalho ou transferir calor. Trabalho e calor são, digamos assim, energia em trânsito. Nos usos domésticos de electricidade, o sistema que fornece energia é a rede de distribuição da EDP. A energia, a seguir, tanto pode ser utilizada pela (0) dona (0) de casa para fazer funcionar o batedor de claras (trabalho), como para aquecer o leite no fogão eléctrico (calor).

  1. Objectivos

Geral

  • Falar da termodinâmica

Específicos

  • Falar da temperatura, energia interna e calor;

  • Falar da capacidade térmica e calor específico;

  • Explicar os processos de transferência espontânea de calor;

  • Explicar como ocorrem as mudanças de fase;

  • Falar do trabalho por um gás

  • Falar da primeira, segunda e terceira Lei da Termodinâmica

  • Enunciar as aplicações da primeira Lei da Termodinâmica

  • Explicar os processos de transformação de energia mecânica e interna

  • Falar dos processos adiabáticos, isobáricos, isotérmicos e cíclicos, isovolumétrica.

Metodologia

O presente trabalho foi elaborado com base numa pesquisa bilbiografica.

Trabalho e Calor

Durante muito tempo pensou-se que o calor era uma espécie de fluido, que passava dos objectos “mais quentes” para os objectos “mais frios” e, não havia a ideia de que podemos fazer variar energia de um sistema trocando calor ou trabalho (ou as duas coisas simultaneamente). Havia até unidades diferentes para o trabalho e para o calor. Definia-se “caloria” como a quantidade de calor necessária para fazer elevar a 1 grau centígrado um grama de água à temperatura inicial de 14.5oC.

Equivalência entre calor e Trabalho

Joule fez no século passado, várias experiências para demonstrar a equivalência entre calor e trabalho que fizeram historia (e ele não se ficou por aí). A ideia era mostrar que o mesmo efeito (aumento de energia interna) podia ser conseguido quer fornecendo calor quer fornecendo trabalho. Num recipiente bem isolado colou uma certa quantidade de água a 14.5oC. um conjunto de pás no interior desse recipiente, ligadas a um sistema de pesos, permitia realizar trabalho sobre a água. A água aquecia à medida que as pás iam rodando e, portanto, o trabalho mecânico era equivalente a calor. Medindo o trabalho fornecido à água e a temperatura final, calculou o “equivalente mecânico do calor”, isto é, a quantidade de energia, sob a forma de trabalho mecânico, equivalente a 1 caloria de calor.

Em sua homenagem a unidade no SI de energia, sob todas as formas, é o Joule, embora se utilize ainda, por tradição, a caloria (exemplo, nas dietas de emagrecimento).

1 cal = 4,186 J

Entrando em linha de conta com outras formas de energia (química, eléctrica, magnética, nuclear), escreve-se que:

de = dEpot + dEcim + dEquim + dEmag + dEelect + dEnucl + dEI

= -W + Q

A energia transforma-se, passa de um lado para o outro, mas conserva-se sempre.

Máquinas térmicas

A Termodinâmica trata das transformações energéticas dentro de um sistema (variação de energia interna) e das transferências energéticas, sob a forma de calor e trabalho, entre um sistema e o exterior.

Em particular, um sistema pode receber trabalho e produzir calor, ou vice-versa, receber calor e produzir trabalho. Os sistemas que recebem calor e produzem trabalho são as máquinas térmicas. Elas utilizam a “força motriz de calor”.

  

É correspondente ao acender de um fósforo: fricção provocada mecanicamente dá origem a uma reacção química com libertação de calor (a chama é mais quente).

Esquema inverso

 

Obter trabalho a partir de calor tem uma história mais recente, ligada à resolução de problemas de elevação de pesos (em particular retirar água das minas, nos séculos XVII e XVIII).

  1. Capacidade calorífica e calor específico

Numa interacção entre dois sistemas, em que só se troca calor (aquecimento de uma panela de sopa), é a quantidade de calor que passa de um sistema para o outro que se mantém, não a temperatura. Quando se mistura água quente com água fria não é a temperatura que passa da água quente para a água fria, é sim o calor.

Black introduziu dois conceitos da maior importância para o estudo das substâncias, a capacidade calorífica e calor latente

Capacidade calorífica define-se como a quantidade de calor que é necessário fornecer a uma dada quantidade de certa substancia para elevar a temperatura de 1 grau.

Assim, designado a capacidade calorífica por C, pode escrever-se

C =   capacidade calorífica

Onde C se mede em J/K, podendo, em geral, ser dependente da temperatura.

Calor específico é uma característica da substância – não depende da quantidade. E define-se como a quantidade de calor que se tem de fornecer à unidade de massa da substância para elevar a temperatura de 1 grau.

Para uma substancia de massa m e capacidade calorífica C, pode calcular-se o seu calor específico mássico, “c”, por

c =  =  calor especifico mássico

Cuja unidade no SI e J kg-1K-1, sendo, no entanto, muito frequentemente utilizado J g-1K-1 . Recordando que a definição de caloria teve origem no calculo do calor específico mássico da substancia mais abundante na superfície terrestre e nos seres vivos: a água (1 cal = 4,186 J).

É possível também calcular o calor específico molar C. Assim, para n moles de uma substancia com capacidade calorífica C, vem

C =  =   calor específico molar

É dado em J mol-1 (unidade SI). O calor especifico por unidade da massa e o calor especifico molar estão relacionados, onde  representa a massa molar da substancia em causa. C = 

Para a generalidade das substâncias, o calor específico apresenta valores diferentes, dependendo das condições em que o aquecimento é feito. Em particular, o calor fornecido a substâncias gasosas para que sua temperatura varie de 1oC é diferente se o aquecimento for efectuado a pressão constante (CP) ou a volume constante (CV).

Para sólidos e líquidos, a diferença entre o calor específico medido a pressão constante e a volume constante não é grande, sendo frequente a medição unicamente de CP. Visto que CV  CP.

Mais geralmente, o calor específico e a capacidade calorífica dependem da temperatura. Para intervalos  grandes essa variação pode ser importante.

Se aquecermos determinada substancia – gelo, por exemplo, obteremos um diagrama da temperatura T em função do calor Q, fornecido.

Inicialmente, há uma região onde o crescimento da temperatura T com o calor Q fornecido, (Q fornecido pode ser medido pelo tempo de aquecimento) é aproximadamente linear.

 T

Sendo m a massa do gelo e c o seu calor especifico (praticamente constante).

Segue-se uma região de patamar a 0oC, correspondente à fusão do gelo. Durante este patamar, todo o calor que é fornecido é utilizado para transformar gelo a 0oC em água líquida, igualmente a 0oC. Aqui, enquanto coexistirem as duas fases (sólido, líquido), a temperatura mantêm-se constante. Segue-se a região de aquecimento da água até 100oC, seguida de vaporização.

  1. Calor latente

Fala-se de calor latente quando ao fornecermos calor a um sistema não se verificar aumento de temperatura. Isso acontece nas mudanças de fase (fusão, vaporização, sublimação), onde há troca de calor, mantendo-se constante a temperatura.

Se uma quantidade de substancia de massa m necessita de trocar o calor  com o exterior para sofrer uma mudança de fase, define-se o calor latente f pela relação

f

A unidade SI para o calor latente é J /kg.

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