CONTEÚDOS: CALOR LATENTE TRABALHO NOS PROCESSOS TERMODINÂMICOS CALOR LATENTE, CALOR E TRABALHO.

Apresentação em tema: "CONTEÚDOS: CALOR LATENTE TRABALHO NOS PROCESSOS TERMODINÂMICOS CALOR LATENTE, CALOR E TRABALHO."— Transcrição da apresentação:

1 CONTEÚDOS: CALOR LATENTE TRABALHO NOS PROCESSOS TERMODINÂMICOS CALOR LATENTE, CALOR E TRABALHO

2 CALOR LATENTE Normalmente, a temperatura duma substância varia quando esta troca energia com a vizinhança. Excepto quando da substância muda de fase ou transições de fase Ex: Fusão, ebulição, mudança da estrutura cristalina dum sólido, etc.

3 CALOR LATENTE (CONT.) Todas essas mudanças de fase envolvem variação de U, mas não há variação de T da substância. Substâncias diferentes respondem de formas diferentes à transferência de energia, a medida que sofrem transição de fase porque apresentam disposições moleculares diferentes. Além disso, a quantidade de energia transferida durante a transição de fase depende da quantidade da substância envolvida.

4 CALOR LATENTE (CONT.) Se é necessário transferir uma quantidade de calor Q para que ocorra a mudança de fase na substância cuja a massa é m, a razão caracteriza uma propriedade térmica importante da substância, o calor latente L : A quantidade L é chamada calor latente da substância porque a energia transferida Q não causa variação na temperatura da substância

5 Calor latente (cont.) O valor de L para a substância, depende da natureza da transição de fase e das propriedades da substância. Assim, a energia necessária para mudar a fase da substância de massa m, é dada por: As transições de fase podem ser descritas como mudanças na disposição espacial das moléculas quando ocorre uma troca de energia entre o sistema e sua vizinhança.

6 Calor latente (cont.) No caso em que a substância recebe energia, esta serve para realizar trabalho contra as forças de atracção mútua das moléculas (quebrar as ligações entre elas e permitir que elas passem para novas posições de equilíbrio, ou para separá-las). CALOR LATENTE: É a quantidade de energia, por unidade de massa, que deve ser trocada entre a substância e a sua vizinhança para que ocorra a transição de fase. EX : Considere um cubo de gelo de massa 1 g à temperatura de -30º C. Determine a energia necessária para convertê-lo em vapor à 120º C. Represente o gráfico temperatura (ºC) versus energia (J) transferida,

7 Trabalho e calor nos processos termodinâmicos Na descrição macroscópica dum sistema, o estado é caracterizado através de variáveis termodinâmicas: pressão, volume, temperatura e energia interna. O estado macroscópico dum sistema isolado, somente, pode ser especificado se este estiver no estado de equilíbrio termodinâmico interno. Isto é, os valores das variáveis p e T têm o mesmo valor em todas as partes do sistema.

8 Calor e trabalho (cont.) Considere um gás confinado num cilindro provido dum pistão bem ajustado e móvel. No estado de equilíbrio o sistema ocupa um volume V, exerce uma pressão uniforme p nas paredes e no pistão. Se A- é a área de secção transversal do pistão. Então, a força exercida pelo gás sobre o pistão é:

9 Calor e trabalho (cont.) Consideremos uma expansão quase-estática do gás: A medida que o pistão se move para cima a uma distância dy, o trabalho realizado pelo gás sobre o pistão é:, assim, Na termodinâmica, trabalho positivo representa uma transferência de energia para fora do sistema. Assim,

10 Calor e trabalho (cont.) O trabalho total realizado pelo gás, quando este sofre um processo quase-estático, na passagem do estado i, com volume V i para o estado f com volume V f é dado por: Para calcular o valor do integral é necessário, além de conhecer o volume nos estados inicial e final, conhecer também a pressão em qualquer instante durante o processo, ou seja é preciso conhecer a função

11 Calor e trabalho (cont.) Considere uma expansão quase-estática do gás desde o estado i para o estado f, representada no diagrama pV. V O trabalho realizado pelo gás durante a expansão a partir do estado inicial até ao estado final, é numericamente igual a área sob a curva ligando os estados inicial e final no diagrama pV. p pipi pfpf vivi VfVf

12 Calor e trabalho (cont.) O trabalho realizado pelo sistema quando evolui do estado inicial para o estado final depende da trajectória seguida pelo sistema entre os estados envolvidos. A trajectória no plano pV é a descrição do processo termodinâmico através do qual o sistema passa dum estado para o outro.

13 Calor e trabalho (cont.) Em cada caso a área sombreada é numericamente igual ao trabalho realizado pelo sistema: p V V a) Num processo isovolumétrico V=const, então dV=0 por isso: p

14 Calor e trabalho (cont) b) Num processo à p constante: Para um gás ideal, temos Por isso o trabalho à p constante pode ser expresso em termos de variação da temperatura: c) Num processo a T constante e se o sistema é um gás

15 Calor e trabalho (conT.) teremos o seguinte : Para além de depender dos estados inicial e final, o trabalho realizado pelo sistema também depende da trajectória seguida pelo sistema entre os estados envolvidos. A energia trocada, em forma de calor, entre o sistema e sua vizinhança também depende do processo.

16 Calor e trabalho (cont.) Considere duas situações envolvendo gás ideal em que os estados inicial e final nos dois casos são idênticos.. posição final O pistão é mantido na posição inicial por uma força. Quando a força é ligeiramente reduzida o pistão move-se lentamente da posição inicial até à final. O gás realizou trabalho sobre o pistão Durante a expansão o gás absorve energia, em forma de calor, a partir da fonte numa quantidade suficiente para manter a sua temperatura, Q=W. Gás a T i Fonte de calor à T i

17 Calor e trabalho (cont.) Numa outra situação, o gás está num sistema termicamente isolado (por completo) da sua vizinhança. Quando a membrana se rompe ocorre uma rápida expansão do gás para o vácuo até ocupar o volume V f e à pressão p f. O gás não realiza trabalho nem absorve calor Vácuo Membrana Gás a T i

18 Calor e trabalho (cont.) Conclusoes: Nos dois casos os estados inicial e final do gás ideal são idênticos, mas as trajectórias seguidas são diferentes. A transferência de energia, tanto em forma de calor como em forma de trabalho, depende dos estados inicial e final bem como dos estados intermediários, ou seja Q e W são grandezas de processo.