Termodinâmica é a ciência que trata das trocas de energia entre um sistema e o meio externo, ou seja, as trocas de calor e trabalho.

Energia Interna de um GásEnergia Interna de um Gás Só depende da temperatura absoluta (Kelvin) do gás.

•U↑=>T↑ =>U+

•U↓=>T↓ =>U-

•Uconst. => T const. =>ΔU = 0

nRTU2

3

TnRU 2

3

Como p.V = n.R.T podemos ter

VpU .2

3

W=F.d {p=F/A→F=p.A

W=p.A.d{V=A.h→A=V/h

W=p.V.h {d=h h

V↑→ W+(real. pelo gás)

V↓→W-(real. sobre o gás)

Vh

Cálculo do Trabalho(W)Cálculo do Trabalho(W)

W=p.(Vf – Vi)

Unidades no SIUnidades no SI

p → N/m2 = Pa

V → m3

W → J (joule)*Nota

1 atm = 1,(013) x 105 Pa

1.000 L = 1 m3 ou 1 L = 10-3 m3

Trabalho pelo Gráfico Trabalho pelo Gráfico p

VV0 V

W W=AN

Exemplo:Exemplo: Num processo a pressão constante de 1,0.105 Pa, um gás aumenta o seu volume de 9.10-6 m3 para 14.10-6 m3. O trabalho realizado pelo gás, em joules, é de:

a)0,5;

b) 0,7;

c) 0,9;

d) 1,4;

e) 2,1.

W = p.V

W = p.(Vf – Vi)

W = 1x105(14x10-6 – 9x10-6)

W = 105 x 5 x 10-6

W = 5 x 10-1

W = 0,5 J

11aa Lei da Lei da TermodinâmicaTermodinâmica

ΔU = U2 – U1

Variação da Energia Interna

W > 0 → energia mec. que sai do sistema

W < 0 → energia mec que entra no sistema

Q > 0 → calor que entra no sistema

Q < 0 → calor que sai do sistema

1a Lei

ΔU = Q - W

Exemplo: Exemplo: Uma certa amostra gasosa recebe 500 cal de calor trocado com o meio externo e realiza um trabalho igual a 200 cal. A variação de sua energia interna será igual a:a) 300 cal; c) 2,5 cal;b) 700 cal; d) 0,4 cal.

WQU 200500 U

calU 300

W-→ Sistema recebe energia

W+→ Sistema gasta energia***Note que o sinal do trabalho recebido é o contrário do calor recebido.

Q+ (recebido)

Q-(cedido)

W-(compressão)

Gás

W+ (expansão)

Transformações GasosasTransformações Gasosas

p1

V1

T1

U1

p2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2Transformação

Variáveis de estado

Variáveis de estado

Q+ (recebido) Gás

W+ (expansão)

TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICASTRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS

T const. => Uconst. =>U =0

U = Q - W

Q = W Q-(cedido)

W-(compressão) OU

As transformações isotérmicas devem ser lentas, para que o gás troque calor na mesma medida que troca trabalho.

Recebe Calor Perde Calor

Gás

W+ (expansão)

TRANSFORMAÇÕES ADIABÁTICASTRANSFORMAÇÕES ADIABÁTICAS

Q = 0 => U = Q - W

U = -W

W-(compressão) OU

Ocorrem sem que haja trocas de calor entre o sistema e o meio externo. Isto geralmente é obtido num processo rápido.

T>

T<

A

B

AB→Exp. Adiabática=>W+=> U= -W => U- => T↓

BA→Comp. Adiabática=>W-=> U= -W => U+ => T↑

***Este princípio é fundamental em refrigeração!!!

Uma porção de gás ideal está contida num cilindro com pistão móvel, conforme representa a figura abaixo.Supondo-se que o deslocamento do pistão da posição 1 para a posição 2 representa uma transformação adiabática e que a variação de volume durante o deslocamento do pistão é de 0,50m3, sob pressão média de 100N/m2, pode-se concluir que:

a) o gás esfria e sua energia interna diminui de 50J.b) o gás esfria e sua energia interna diminui de 100J.c) o gás aquece e sua energia interna aumenta de 50J.d) o gás aquece, mas a quantidade de energia interna não se altera.e) a temperatura do gás não varia.

Q+ (recebido)

Gás

TRANSFORMAÇÕES ISOCÓRICASTRANSFORMAÇÕES ISOCÓRICAS

V const. => W = 0

U = Q - W

U = Q Q-(cedido)

OU

O gráfico abaixo representa a variação de energia interna de 1 mol de determinado gás, a volume constante, em função da sua temperatura. A variação de energia interna, a quantidade de calor absorvida e o trabalho realizado pelo gás são, respectivamente:

a) 3,0 kcal, 2,0 kcal, nulo b) 2,0 kcal, 2,0 kcal, 4,18 J c) 2,0 kcal, 2,0 kcal, nulo d) 2,0 kcal, 3,0 kcal, 4,18 J

TRANSFORMAÇÕES TRANSFORMAÇÕES CÍCLICASCÍCLICAS

p

VV0 V

W W=ACICLO

Np2

p1

U=Q - W

Q = W+-

A B

CD

p

VV0 V

W+

p2

p

VV0 V

W-

p1

Veja uma demonstração breve, visto que nos processos isométricos (BC E DA) não há trabalho.

A B

CD

Uma amostra de gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama pressão x volume, ilustrado abaixo. Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apontando a opção CORRETA:

a) A transformação AB é isobárica e a transformação BC, isométrica.b) O trabalho feito pelo gás no ciclo ABCA é positivo.c) Na etapa AB, o gás sofreu compressão e, na etapa BC, sofreu expansão.d) O trabalho realizado sobre o gás na etapa CA foi de 8 J.e) A transformação CA é isotérmica.

U = Q - WQ =0 ADIABÁTICA (U = -W)

W =0 ISOCÓRICA (U = Q)

U =0 ISOTÉRMICA ( Q = W)

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICAPRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Um cilindro com pistão, de volume igual a 2,0 litros, contém um gás ideal. O gás é comprimido adiabaticamente sob pressão média de 1000N/m2 até que o volume atinja o valor de 0,20 litros. A variação da energia interna do gás, em J, durante a compressão éa)1,8 b) 2,0 c) 200 d) 1800e) 2000

Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasTransformam calor em trabalho.

Física

Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas

Q → W

Q1

Fonte Quente (T1)

Q2 Fonte Fria (T2 )

W (En. Útil)

MT

2ª Lei da Termodinâmica:

É impossível construir uma máquina térmica que, trabalhando entre duas fontes térmicas, transforme integralmente calor em trabalho.

Enunciado de Claussius da 2ª Lei O calor não flui espontaneamen-te da fonte fria para a fonte quente.

Física

1Q

W

12aLei da Termodinamica

***η → rendimento

1

21Q

Q

1

21

Q

QQ

Física

1

21T

TMAX

A Máquina Ideal de CarnotA Máquina Ideal de Carnot

1MAX

Duas isotermas (AB e CD)

Duas adiabáticas (BC e DA)

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"

T1

T2

T1 >T2

Q1

T2

T1

Q2

Um folheto explicativo sobre uma máquina térmica afirma que ela, ao receber 1000 cal de uma fonte quente, realiza 4186 J de trabalho. Sabendo que 1 cal eqüivale a 4,186 J e com base nos dados fornecidos, pode-se afirmar que esta máquina:a) viola a 1a. Lei da termodinâmica.b) possui um rendimento nulo.c) viola a 2a. Lei da termodinâmica.d) possui um rendimento de 10%.funciona de acordo com o ciclo de Carnot.

Física

Máquinas FrigoríficasMáquinas Frigoríficas

W → Q

Q1

Fonte Quente (T1)

Q2 Fonte Fria (T2 )

W (En. motriz)

MF

Física

W

Q2

21

2

QQ

Q

EficiênciaEficiência → → εε

***A eficiência não é expressa em percentual.

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

Ciclo RefrigeradorCiclo Refrigerador