Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo, ou um sistema e o meio exterior.Os primeiros trabalhos realizados foram no século XIX pelo físico Inglês James Prescott Joules, suas experiências comprovam que o calor se transforma em 1 caloria (Cal= 4,18 J ) de energia térmica.

Um exemplo de conversão de energia mecânica em térmica, e que ao freamos um carro em movimento a energia cinética do movimento se converte em energia térmica, que aquece os freios e os pneus, essa conversão de energia também ocorre com qualquer meio de transporte motorizado, nessa conversão de energia estamos utilizando da tecnologia quer surgi do estado dos gases.  Nesse exemplo percebemos o trabalho feito pelo calor e energia. Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existente entre os corpos ou sistema envolvidos. Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho

Princípios da termodinâmica

De acordo com o principio da conservação de energia, a energia pode ser criada nem destruída, mias transformada de uma espécie em outra. O primeiro principio da termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior. Exemplo um sistema recebe certa quantidade de calor Q, parte desse calor foi utilizada para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.

                                             Q = ΔU + W  

Gases Ideais

O gás ideal relaciona entre se diversas funções de estado termodinâmicas, estabelecendo essencialmente uma relação entre a energia, a temperatura e a quantidade de matéria.

As grandezas pressão, volume e temperatura são chamados variáveis de estado de gás. Essas grandezas são dadas pela equação Clapeyron.

                                                       P. v = n. r. t

O modelo do gás ideal assume que o volume da molécula é zero e as partículas não interatuam entre-se.  As maiores partes dos gases reais acercam se a esta constante dentro de duas cifras significativas, em condições de pressão e temperatura suficientemente afastadas do ponto. As equações de estado de gases reais são em muitos casos correções da anterior.

De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.

Primeira lei da termodinâmica

Essa lei diz que a variação da energia interna de um sistema pode ser expressa através da diferença entre o calor trocado com o meio e o trabalho realizado por ele durante uma determinada transformação.

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o principio da conservação de energia e, apesar de só ser estudado para os gases, pode ser aplicado em qualquer processo em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho

Transformação isobárica

Essa transformação isobárica é regida pela Lei de Charles e Gay-lussac, esta transformação pode ser expressa por:

                                            V =K₂. T

V : volume; T : Temperatura absoluta; k_2:  constante que depende da pressão, massa e natureza o gás;

Numa transformação isobárica um gás de volume 0,5 m³ á temperatura 20ºC é aquecido até a temperatura de 70ºC. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante?

È importante lembramos que a temperatura considerada deve ser a temperatura absoluta do gás (escala Kelvin), o primeiro passo para a resolução exercício é a conversão de escalas termométricas:

Lembramos que:

Então:

Transformação isométrica

A transformação isométrica também pode ser chamada isocórica e assim como nas outras transformações, a isométrica se baseia em uma relação que, para este caso, o volume se mantém.

Essa transformação e regida pela lei de chalés, a transformação isométrica é matematicamente expressa por:

                               p = k₃. T

P: pressão; T: Temperatura absoluta do gás; k₃:constante que depende do volume, massa e da natureza do gás;

Como para um mesmo gás a constante k₃ é sempre a mesma garantindo a validade da relação:

                                    

Um exemplo um gás que se encontra á temperatura de 200K é aquecido até 300k, sem mudar de volume. Se pressão exercida no final do processo de aquecimento é 100Pa, qual era a pressão incial?

Transformação isocórica

Quando uma determinada massa gasosa sofre uma transformação e seu volume permanece constante, a pressão exercida pelo gás, no recipiente em que ele permanece, aumenta conforme a temperatura aumenta, e diminui conforme sua temperatura diminui.

Charles observou este fato e concluiu que: “Aumentando a temperatura absoluta de uma massa fixa de gás, mantendo sua pressão constante, provoca um aumento do volume ocupado e vice-versa, de tal forma que o quociente entre essas duas grandezas permaneça constante”.  P/T = K

Tendo um gás inicialmente a uma pressão de Pi e temperatura Ti, aumentando a temperatura até uma temperatura Tf verificamos que a pressão Pf obedecerá a seguinte relação:

                                        P_i/T_i = P_f/T_f = K

Ou:  

Transformação Adiabática

A transformação adiabática é um processo de transformação na qual não há tocas de calor com o ambiente, apesar de haver variação térmica, a energia interna se transforma em trabalho diretamente.

Dizemos que o gás ideal sofre transformação adiabática quando é nula a quantidade de calor trocado com o ambiente ( Q = 0). É como se o gás estivesse realizando sua expansões e/ ou compressões  num recinto termicamente isolado do meio externo.

Um exemplo de Transformações adiabático é quer ao enchemos um pneu de uma bicicleta o gás sofre expansões é compressões tão rápidas que as tocas de calor com o ambiente são desprezíveis.

Transformações cíclicas.

     Transformações cíclicas. Conversão de calor em trabalho

Ciclo ou transformação cíclica ocorre quando após várias transformações o gás volta a Ter as mesmas características que possuía inicialmente. Portanto, o estado final é igual ao inicial.

O trabalho total realizado nesse caso é a soma do trabalho realizado em cada etapa do ciclo:
ð = ð 1 + ð 2
Isso também é válido para o calor trocado:
Q = Qab + Qbc + Qcd + Qda
Como o estado inicial é igual ao final, a variação de energia é nula.
DU = 0
Portanto, aplicando-se a Primeira Lei da termodinâmica:
DU = Q - ð = 0 ð = 0

Quando o ciclo ocorre em sentido horário, o gás recebe calor e fornece trabalho: Q -ð.

Quando o sentido e anti-horário, o gás realiza a conversão de trabalho em calor: ð -> Q.

Segunda Lei da termodinâmica

Enunciada pelo físico Frances Sadio Carnot, essa lei fez restrições para as transformações realizadas pelas maquinas térmicas como, por exemplo, o motor de uma geladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que “ Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma continua. A cada ciclo e retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que e parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante e rejeitada para a fonte fria

A máquina térmica

O principio de funcionamento das maquinas térmicas foi antes de ser  a segunda lei da termodinâmica. Carnot percebeu que era fundamental uma diferença de temperatura para que uma maquina térmica funcionasse,tanto quanto uma diferença de altura o e para o funcionamento de uma roda-d’agua.

A máquina térmica de Carnot é composta de uma fonte de calor, mantida à temperatura constante T1, destinada a fornecer as calorias de que o motor necessita para seu trabalho; de uma fonte de frio, também à temperatura constante T2 (T2 < T1), cuja função é retirar da máquina as calorias remanescentes de cada ciclo que não foram transformadas em trabalho, e do fluido, colocado no interior de um cilindro, que se comprime e se distende, impulsionando um êmbolo. O ciclo de Carnot, que é reversível, desenvolve-se em quatro fases, duas isotérmicas (primeira e terceira), a temperatura constante, e duas adiabáticas (segunda e quarta), a pressão constante.

máquina de Carnot

A máquina de Carnot é uma máquina ideal que utiliza calor para realizar um trabalho. Nela há um gás sobre o qual se exerce um processo cíclico de expansão e contração entre duas temperaturas. O ciclo termodinâmico utilizado se denomina ciclo de Carnot e foi estudado por Sadi Carnot em torno de 1820. Uma máquina de Carnot é o procedimento mais eficaz para produzir trabalho a partir de dois focos de temperatura.

Pode construir-se a partir de um cilindro sobre o qual corra um pistão unido a uma biela que converte o movimento linear do pistão em movimento circular. O cilindro contém certa quantidade de um gás ideal e a máquina funciona intercâmbiando calor entre duas fontes de temperaturas constantes T₁ < T₂. A transferência de calor entre as fontes e o gás se faz isotermicamente, ou seja, mantendo a temperatura constante. Esta parte do processo é, portanto, reversível. O ciclo se completa com uma expansão e uma compressão adiabáticas, ou seja, sem intercâmbio de calor, pelo que esta parte do ciclo é também reversível.