Transcript aula termodinâmica 2008

1ª e 2a Leis
da
Termodinamica
Termodinâmica é a ciência
que trata
• do calor e do trabalho
• das características dos sistemas e
• das propriedades dos fluidos termodinâmicos
Alguns ilustres pesquisadores
que construiram a termodinâmica
James Joule
1818 - 1889
Sadi Carnot
1796 - 1832
Emile Claupeyron
1799 - 1864
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Rudolf Clausius
1822 - 1888
Contribuição de James Joule.
1839
Experimentos:
trabalho mecânico, eletricidade e calor.
James P. Joule
(1818-1889)
Nasceu em
Salford - Inglaterra
1840
Efeito Joule : Pot = RI2
1843
Equivalente mecânico do calor
( 1 cal = 4,18 J)
1852
Efeito Joule-Thomson : decrescimo
Lei da
Conservação
de
Energia
da temperatura de um gás em função da
expansão sem realização de trabalho
externo.
As contribuições de Joule e outros levaram
ao surgimento de uma nova disciplina:
a Termodinâmica
1a Lei
da
Termodinâmica
Para entender melhor a
1a Lei de Termodinâmica
é preciso compreender as características dos
sistemas termodinâmicos e os caminhos
“percorridos” pelo calor...
Sistema Termodinâmico
Certa massa delimitada por
uma fronteira.
Sistema Aberto
Vizinhança do sistema.
O que fica fora da
fronteira
Sistema que não troca massa com a
vizinhança, mas permite passagem
de calor e trabalho por sua fronteira.
Sistema fechado
Sistema que não troca energia
nem massa com a sua vizinhança.
Transformação
Variáveis de
estado
Variáveis de
estado
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1
Transformação
Estado 2
Processos
“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
P1
V1
T1
U1
Processos
P2
V2
T2
U2
Durante a transformação
Isotérmico
temperatura constante
Isobárico
Pressão constante
Isovolumétrico
volume constante
Adiabático
É nula a troca de calor com a vizinhança.
Transformações
1a Lei da Termodinâmica
Sistema Fechado
W > 0 → sistema realiza trabalho
W < 0 → sistema sofre trabalho
Q > 0 → sistema recebe calor
Q < 0 → sistema perde calor
ΔU = U2 – U1
1a Lei
Variação Energia Interna
Q = W + ΔU
Variação da Energia Interna
Q = W + ∆U
Gás
Expansão nula
W=0
ΔU=Q
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 0 → ΔU < 0
ΔU depende apenas
de ΔT.
Como U é uma
variável de
estado, ΔU não
depende do
processo.
A energia interna de um gás é função apenas
da temperatura absoluta T.
O calor Q que passa pelas fronteiras
do sistema depende do processo.
O trabalho que
atravessa a fronteira
depende do processo?
∆U = Q - W
W = F.d
.W
F = Pr.S
W = Pr.S.d
∆V = V2 -V1
W = Pr.ΔV
depende de
como a pressão
e volume mudam
no processo.
Diagramas P x V
Gases ideais
Estado 1
P1
Como as variáveis
de estado se
relacionam?
1
T1
V1
Equação de estado
no de moles
P1V1 = nRT1
Constante dos gases
R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K
Processo isovolumétrico
Transformação a volume constante
Q = m  CV  (T2-T1)
Calor específico
a volume constante
1ª Lei da Termodinâmica
Transformação de 1 → 2
Q = W + U
W=0
U = Q
∆V = 0
Volume invariável
Isovolumétrica
Processo isobárico
Transformação a pressão constante
calor específico
a pressão constante
Q = + m CP (TB - TA)
W = Po [VB-VA]
1ª Lei da Termodinâmica
Q = W + U
Processo Isotérmico
Transformação à temperatura constante
Êmbolo movimentado
lentamente
∆U = 0 → ∆T=0
Q=W+0
 Q=W
Processo adiabático
Transformação sem troca de calor
Movimento rápido do êmbolo.
Q=0
Q=0
O processo ocorre tão
rapidamente que o
sistema não troca calor
com o exterior.
Primeira Lei da Termodinâmica
Q = W + ∆U
Q = 0 → ∆U= - W
W = - ∆U
Compressão adiabática
W
Área sob o grafico
Trabalho transforma-se em calor
Processos cíclicos
1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2.- Qciclo = Q
3.- Wciclo = W = área 12341
1a Lei da Termodinâmica
Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo
Qciclo = Wciclo
Wciclo > 0 → Qciclo  0
O sentido do ciclo no diagrama PV : horário.
O sistema recebe Q e entrega W
Máquinas Térmicas
“Trabalham” em ciclos.
A máquina de Denis Papin
1647 - 1712
Trabalho
Para onde a
máquina rejeita
calor QCold
Fonte quente
Fonte fria
De onde a
máquina retira
calor QHot.
Ciclo
Eficiência térmica: 1ªLei
Em cada ciclo
∆U = 0
W = Q1-Q2
Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1
ε = [1 – Q2/Q1]
Ciclo Refrigerador
Refrigerador
12: compressão adiabática em um compressor
23: processo de rejeição de calor a pressão constante
34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão)
41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador
Qual o limite da eficiência
de uma máquina térmica ?
ε = [1 – Q2/Q1]
Q1 → 0
ε→1
É possível construir esta
máquina?
ε → 100%
A máquina ideal de Carnot
Ciclo reversível
A eficiência da Máquina de Carnot
No ciclo:
∆U=0 → W = Q1 - Q2
ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1
Q2/Q1 = T2/T1
BC e DA = adiabáticas
ε = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)
ε = 1 - T2/T1
Princípio de Carnot
"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode
ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"