TERMODINÂMICA
Autor: Clara | Publicado: 2010-06-03T13:01:00-03:00


1. Termodinâmica 

A&nbsp;Termodinâmica&nbsp;estuda a relação entre a energia mecânica e a térmica, num processo físico, envolvendo um corpo ou um sistema de corpos e o resto do universo. O Calor (Q) se transfere de um corpo para o outro ou entre partes de um corpo, em consequência de choques moleculares. O trabalho (t) é a troca energética sem influencia de diferenças de temperatura. O trabalho é realizado pela força F. A dois tipos de trabalho o externo (quando o sistema como em todo produz um deslocamento ao agir com uma força sobre o meio exterior) ou interno ( o trabalho executado por uma parte do sistema sobre outra do mesmo sistema). No  estudo da termodinâmica é considerado apenas o trabalho externo. 
2. Trabalho numa Transformação 

Durante qualquer transformação sofrida pelo gás, em ambiente fechado de movimento livre,  a pressão p se mantém constante. Quando Calor Q e fornecido ao sistema através de uma fonte térmica,  a gás se expande, aumentando o volume e a temperatura. O gás age com uma força F, aumentando o volume realizando um trabalho t. 






2.1 - Na pratica: 

Q.1 – Cinco mols de um gás perfeito se encontram á temperatura de 600 K, ocupando um volume de 0,5 m3. Mediante um processo isobárico, o gás é submetido á transformação indicada no gráfico. Calcule o trabalho realizado.  
Com base no gráfico sabemos que: 
p =   5.104 N/m2     
DV = 0,1 m3 – 0,5 m3     

t = 5.104. (0,4) = - 2. 104     







3. Energia interna. Lei de Joule dos Gases Ideais 

A energia total de um sistema é composta de duas parcelas:  
A energia externa do sistema é devida as relações que ele guarda com meio exterior: energia cinética e energia potencial. A energia interna U de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior.&nbsp; Não se mede diretamente a energia interna U de um sistema. No entanto, é importante conhecer a variação da energia interna DU do sistema durante um processo termodinâmico. Esta variação é acompanhada de variação de temperatura DT. Tendo ocorrido à variação de temperatura, variou a energia cinética das moléculas do gás e, portanto variou a energia interna.  Como regra geral, na Termodinâmica, a conversão de energia térmica em energia mecânica é realizada usando-se uma quantidade constante de gás. Depreende-se daí uma conclusão muito importante, conhecida como lei de Joule para os gases perfeitos: 

A partir da expressão deduzimos que: 






Conforme a variação de Temperatura que o gás sofre no processo: 


T2 &gt; T1Þ          DT &gt;0 Þ          DU &gt; 0
A temperatura do gás aumenta a variação de temperatura  é positiva, a energia interna é positiva&nbsp;
T2 &lt; T1Þ          DT &lt; 0 Þ          DU &lt; 0
A temperatura do gás diminui a variação de temperatura é negativa, A energia interna é negativa.
T2 = T1Þ          DT = 0 Þ          DU = 0
A temperatura do gás é constante, a variação de energia interna é nula.&nbsp;

 3.1 – Na pratica: 

Q2- Uma porção de dois mols de oxigênio é aquecida de 10 °C até 90 °C. Considerando o oxigênio como gás perfeito, calcule a diferença entre a energia interna anterior e posterior ao aquecimento do gás. Constante universal dos gases perfeitos: R = 8,31 J/mol. K 
DU = 3/2. 2. 8,31. (363 -283) DU = 3/2. 2. 8,31. 80 DU é aproximadamente 1.994 J 4. Primeira Lei da termodinâmica   

Num processo termodinâmico sofrido por um gás, há dois tipos de trocas energéticas com o meio exterior: o calor trocado Q e o trabalho realizado t.  A variação de energia interna DU sofrida pelo sistema é consequência do balanço energético entre essas duas quantidades. 
Assim a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa por: 



5 - Transformações Gasosas 

5.1 - Transformações Isotérmicas (temperatura constante) 
Numa transformação isotérmica, o calor trocado pelo gás com o exterior é igual ao trabalho realizado no mesmo processo. Como a temperatura não varia, a variação da energia interna do gás é nula: 










5.2 - Transformação isobárica (pressão constante) 
Numa expansão isobárica, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado. 
O trabalho realizado: t = p DV Calor trocado: Qp = m. cp. DV 
A quantidade de calor trocada é igual uma massa m de um gás ideal, multiplicado pela pressão constante Cp vezes  a variação de temperatura DT. Sendo M a massa molar do gás, podemos dizer que m = n. M Assim M. Cp constitui o valor molar a pressão constante do gás: a fórmula conclui-se  
Qp = n.Cp. DT 

5.2.1- Variação de energia interna 

Na transformação isobárica há sempre variação de temperatura, isto é, DT ¹ 0. Por conseguinte, sempre haverá variação de energia interna. 


Em vista da primeira lei da termodinâmica, podemos concluir que as quantidades de energia trocada com o ambiente, sob forma de calor ou de trabalho, são necessariamente diferentes. 



5.3 - Transformação isocórica (volume constante) 
Numa transformação isocórica a variação da energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada no meio exterior Trabalho realizado é nulo, pois não há variação de volume  
O calor trocado é dado por Q = m cV DT 
O calor molar e pressão constante Q = n cV     DT 

5.4 - Transformação Adiabática  
Um gás sofre uma transformação adiabática quando não troca calor com o meio exterior. Essa transformação pode ocorrer quando o gás esta contido no interior de um recipiente termicamente isolado do ambiente ou sofre expansão e compressão suficientes rápidas para que as trocas de calor com ambiente possam ser consideradas desprezíveis. Numa transformação adiabática a variação de energia interna é igual em módulos e de sina a trabalho realizado na transformação. Numa transformação adiabática as variáveis de estado relacionam com a lei geral dos gases, e com a lei Poisson, apresenta a Fórmula p1 x Vy1  = cte          Onde Y é o expoente Poisson = cp                                                               cV     6 – Transformações Cíclicas  
Transformação Cíclica ou ciclo de um sistema é o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que os seus estados finais e iniciais são iguais. Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia (&nbsp;D&nbsp;U = 0), havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo. Num diagrama P x V, uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.  




Todo o dispositivo que faz a conversão no processo cíclico em sentido horário transforma energia térmica em energia mecânica, é chamado máquina térmica ou motor térmico. Todo o positivo que faz a conversão no processo cíclico no sentido anti-horário a uma conversão de energia mecânica em energia térmica. E chamado máquina frigoríficas. 
7 - Transformação reversível e irreversível 
Transformação reversível - Uma transformação reversível é aquela em que tanto o sistema quanto o meio que o contém podem ser levados de volta ao estado original. 
Transformação irreversível - Quando sua inversa só puder se efetuar com parte de em processo mais complexo, envolvendo modificações  nos corpos circundantes. 
Nenhuma transformação onde haja a presença do atrito é reversível. Da mesma forma a transferência de calor de um corpo mais quente para um mais frio é irreversível. Em uma transformação reversível não há perda de trabalho em calor, ao contrário de um processo irreversível. Numa transformação reversível de um estado A para um estado B o trabalho e a quantidade de calor tem mesmo valor absoluto e sinais opostos do que na transformação do estado B para o estado A. 







8 - Segunda lei da Termodinâmica 
Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer. Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre sistemas em contato tendem a igualar-se. As diferenças de pressão, densidade e, particularmente, as diferenças de temperatura tendem a equalizar-se. Isto significa que um sistema isolado chegará a alcançar uma temperatura uniforme A segunda lei da termodinâmica tem sido expressada de muitas maneiras diferentes. A transferência preferencial de calor do corpo quente para o corpo frio levou Celsius a enuncia a segunda lei da do seguinte modo: 

Sendo o calor uma forma inferior de energia, não é simples sua conversão em outra forma de energia embora a primeira lei estabeleça essa possibilidade. Assim Kelvin e Planck enunciaram a segunda lei da termodinâmica  da seguinte maneira: 
8.1 - Máquina térmica: conversão de calor em trabalho. 
Quando, por exemplo, um gás realiza em sentido horário no diagrama de trabalho, há transformação de calor em trabalho. No entanto, de acordo com a segunda Lei, essa ocorrência não é possível. A máquina térmica, por exemplo, as máquinas a vapor, foram inventadas e funcionavam antes que seu principio teórico fosse estabelecido. Estudando essa máquina, Carnot evidenciou que uma diferença de temperatura era tão importante para uma máquina térmica quanto à diferença de nível d'água para uma máquina hidráulica. Estabeleceu, então, que: 














8.1.1 - Rendimento da máquina térmica  

Define se o rendimento η&nbsp; da máquina térmica pela relação entre energia útil obtida da máquina, Que é o trabalho  (Q1 – Q2), e energia total que é quantidade de calor Q1, recebida da fonte quente: 

η&nbsp;= Q1 – Q2              η&nbsp; = 1 – Q2      
           Q1                               Q1     

Segundo a expressão o rendimento seria 100%, porém ela rende no máximo 30% de rendimento. 


8.1.2 - Na pratica  

Q3- Uma máquina térmica recebe 5 000 J de calor da fonte quente e cede 4 000 J para a fonte fria a cada ciclo. Determine o rendimento dessa máquina. 

Podemos responder das seguintes formas: 











8.2 - A máquina Frigorífica: conversão de trabalho em calor 

A máquina frigorífica é um dispositivo que, durante seu funcionamento, efetuam a transformação de trabalho em calor. Ela tem a função de transferir calor de um lugar em menor temperatura para outro, de temperatura mais elevada. Entretanto a transferência não ocorre espontaneamente, mas sim á custa de um trabalho externo 
Por exemplo, os refrigeradores são máquinas frigoríficas que, ao funcionarem, transferem calor de um sistema em menor temperatura (congelador) para o meio exterior, que se encontra a uma temperatura mais alta, á custa do trabalho realizado pelo compressor.   

8.2.1 - A Eficiência de uma máquina frigorífica  

A eficiência (e) de uma máquina frigorífica é expressa pela relação entre a quantidade de calor retirada de fonte fria (Q2) e o trabalho externo envolvido nessa transferência (t):    

  e =   Q2       
     t     














8.3 - Ciclo de Carnot 

Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela Máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês Carnot e que tem funcionamento apenas teórico. Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria). O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (Mas o rendimento nunca chega a 100%). Nesse ciclo AB e CD são transformada isotérmica e BD e DA, adiabáticas: 
Podemos escrevê-lo  

Q1      = Q2     
 T1     T2     


Temos que o rendimento da máquina em porcentagem é igual a: 

η = 1 – T2                   T1     
O rendimento do ciclo de Carnot é função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes quente e fria, não podendo, portanto da substância. 
9. Escala Kelvin de termodinâmica  

É escala kelvin Termodinâmica é a escala obtida nesse termômetro teórico constituído por uma máquina Carnot. Nessa escala adota-se como temperatura de referencia a do ponto triplo da água, estado térmico onde coexiste gelo, água liquida e vapor d'água, em equilíbrio. A esse estado térmico corresponde, para a temperatura, o valor 273,16 K. Desse modo, seja T = 273,16 K a temperatura da fonte quente e T a temperatura da fonte fria, que corresponde á temperatura que se deseja determinar. A função termométrica da escala Kelvin termodinâmica será: 
T= 273,16 Q                       QT     
A escala Kelvin termodinâmica é de realização prática impossível, pois A máquina de Carnot é ideal. O termômetro cujas indicações mais de aproximam do termômetro energético descrito são os de gás a volume constante, denominado termômetro legal. 
Adotando o zero absoluto como a temperatura da fonte fria de uma máquina de Carnot o rendimento é dado por: n = 1 - T2/T1     

Sendo T2 = 0K, temos n = 1(100%) 

Portanto: 

O zero absoluto ou o Zero Kelvin (0K) é a tempera da fonte fria de uma máquina de Carnot que apresenta rendimento 100%(n=1) 
Como uma máquina térmica com 100% de rendimento converte integralmente Calor em trabalho, contrariando a segunda lei da termodinâmica, Concluiu-se: 

O zero absoluto é Inatingível. 
10. Entropia  

A medida que o universo evolui, há diminuição da energia utilizável. E a desordem aumenta. Em todos os fenômenos naturais, a tendência é uma evolução para um estado de maior desordem. As transformações naturais sempre levam a um aumento na entropia do Universo.        Pode se  disser que a variação de entropia pode ser entendida como a medida da ineficácia da energia do sistema em sua evolução natural. 
11. Conclusão 

As leis que a termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de limitações ou proibições que, segundo os físicos, são estabelecidas pela natureza. De acordo com esse código: 





é proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se transforme em energia não aproveitável; 



são proibidos ainda quaisquer dispositivos que se movimentem continuamente, sem consumo de energia, como o moto-perpétuo; 



é proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frio para os mais quentes. A transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos atinjam o mesmo estado térmico; 



é impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode ser alcançado. 








12. Biografia  




Livros: 


Física volume único  
Autor: Alberto Gaspar 
Editora ática  


Minimanual compacto de física 
Teoria e prática  
Editora Rideel  


Os Fundamentos da física  2 
Autor: Ramalho, Nicolau. Toledo  
Termologia, óptica e ondas 
Editora Moderna  


Sites  


http://br.geocities.com/resumodefisica/termodinamica/trm01.htm     
http://www.scribd.com/doc/5034883/Fisica-Termologia     
h

mais exercicios em : http://www.fisicaevestibular.hpg.ig.com.br/term.htm e em http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/termodinamica
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