Transcript aula de termo

Termodinâmica é a ciência
que trata
• do calor e do trabalho
• das características dos sistemas e
• das propriedades dos fluidos termodinâmicos
Termodinâmica
1. Sistema - porção definida do espaço.
Ex. uma solução, uma célula, um cilindro
de gás, um corpo...
Termodinâmica
2. Entorno - tudo que envolve o sistema.
Não tem limite. É o ambiente
Os sistemas podem variar de volume,
temperatura e energia.
Abertos/fechados.
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Interna...
Potencial – é a composição química
Cinética – é o conteúdo de calor
Termodinâmica
Os sistemas possuem dois tipos de
energia:
Energia Externa...
Potencial – é dependente da altura do
sistema no Campo G.
Cinética – é dependente da velocidade de
deslocamento do sistema no espaço.
Termodinâmica
Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela
estar no alto (energia potencial externa),
como ser lançada (energia cinética externa),
que sua energia interna é a mesma até o
momento da explosão (a potencial, pelo
menos).
Termodinâmica
Ec EXT
Altura
Ep + Ec
INT
Ep EXT
Distância
Termodinâmica
Se um macaco come uma banana, no
alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou
parado, ele só aproveita
a energia interna da
m
banana.
Se ele come a banana com casca faz
alguma diferença?
Termodinâmica
Menos Energia
Mais Energia
Prof º Ms. Clóvis Piáu
HENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
A Energia Interna de um sistema pode
ou não depender de Massa do sistema, pelo
menos macroscopicamente. Com isso,
classifica-se
Propriedades extensivas
Propriedade intensivas
Termodinâmica
Propriedade intensivas
(independem da massa).
1. pressão
2. temperatura
3. voltagem
4. viscosidade
Termodinâmica
Propriedade extensiva
(dependem da massa)
1. volume
2. quantidade de matéria
3. densidade
4. quantidade de energia
Termodinâmica
1ª Lei:
Descreve a conservação da energia.
Energia não pode ser criada ou
destruída, mas somente convertida de uma
forma em outra.
Prof º Ms. Clóvis Piáu
HENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.
Termodinâmica
1ª Lei:
Toda transformação de energia
acompanha de energia térmica.
se
Qualquer forma de energia ou trabalho,
pode ser totalmente convertida em calor.
Termodinâmica
1ª Lei:
A energia do Universo é constante.
O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
Lei da conservação da energia: a energia em um sistema
pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e
trabalho.
•A energia pode ser interconvertida de uma forma para
outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é,
sistema mais meio externo, conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É
CONSTANTE
U

q

w
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"