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1ª e 2 a Leis TERMODINÂNICA. Termodinâmica é a ciência que trata do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos.

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1 1ª e 2 a Leis TERMODINÂNICA

2 Termodinâmica é a ciência que trata do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinâmicos

3 Sadi Carnot James Joule Rudolf Clausius Wiliam Thomson Lord Kelvin Emile Claupeyron Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica

4 Nasceu em Salford - Inglaterra James P. Joule ( ) Contribuição de James Joule. 1839Experimentos: trabalho mecânico, eletricidade e calor. 1840Efeito Joule : Pot = RI Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4,18 J) 1852Efeito Joule-Thomson : decrescimo 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 Lei da Conservação de Energia 1 a Lei da Termodinâmica

5 Para entender melhor a 1 a Lei de Termodinâmica é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos percorridos pelo calor...

6 Certa massa delimitada por uma fronteira. Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema isolado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança. Sistema fechado Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema Termodinâmico

7 Transformação P1V1T1U1P1V1T1U1 P2V2T2U2P2V2T2U2 Estado 1Estado 2 Transformação Variáveis de estado

8 Caminho descrito pelo sistema na transformação. Processos P1V1T1U1P1V1T1U1 P2V2T2U2P2V2T2U2 Durante a transformação Isotérmicotemperatura invariável IsobáricoPressão invariável Isovolumétricovolume constante AdiabáticoÉ nula a troca de calor com a vizinhança.

9 Transformações 1 a Lei da Termodinâmica ΔU = U 2 – U 1 Variação Energia Interna W = δ > 0 energia que sai do sistema W = δ < 0 energia que entra no sistema Q > 0 calor que entra no sistema Q < 0 calor que sai do sistema 1 a Lei Q = δ + ΔU Sistema Fechado

10 Balanço Energético Gás Recebe calor cede calor Não troca calor Q > 0 Q < 0 Q = 0 (Transformação adiabática, = - ΔU) Gás Realiza trabalho Recebe trabalho Não realiza, nem recebe trabalho > 0 < 0 = 0 Gás Aumenta a energia interna Diminui a energia interna Não varia a energia interna ΔU > 0 ΔU < 0 ΔU = 0 (volume constante,transformação isométrica, Q = ΔU) (temperatura constante, transformação isotérmica, Q = ) ΔT > 0 ΔV < 0 ΔT < 0 ΔV > 0

11 U = Q - δ Gás Expansão nula δ = 0 Δ U = Q = (mc) gás ΔT Como (mc) gás = ctc ΔU depende apenas de ΔT. ΔT = 0 ΔU = 0 ΔT > 0 ΔU > 0 ΔT < 0 ΔU < 0 Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo. Variação da Energia Interna A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T. U = Q

12 O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

13 V = V 2 -V 1 U = Q - δ δ depende de como a pressão e volume mudam no processo. δ = F.d F = Pr.S δ = Pr.S.d δ = Pr.ΔV O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo? Pr = Pressão d = deslocamento

14 P 1 V 1 = nRT 1 Estado 1 n o de moles Constante dos gases R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K Diagramas P x V Gases ideais 1 P1P1 V1V1 T1T1 Como as variáveis de estado se relacionam? Equação de estado

15 1ª Lei da Termodinâmica δ = 0 Q = n C V (T 2 -T 1 ) Calor específico molar a volume constante U = Q = n C V (T 2 -T 1 ) V = 0 Transformação de 1 2 Volume invariável Isovolumétrica Processo isovolumétrico (Isocórico ou Isométrico) Transformação a volume constante U = Q - δ U = Q

16 Q = + n C P (T B - T A ) calor específico molar a pressão constante δ = P o. (V B -V A ) 1ª Lei da Termodinâmica U = Q - δ U = n C v (T B -T A ) Calor específico a volume constante Transformação a pressão constante Processo isobárico

17 Êmbolo movimentado lentamente U = 0 T=0 Transformação à temperatura constante Q = W = n R T [ln(V 2 /V 1 )] 0 = Q – δ Processo Isotérmico Q = δ

18 Movimento rápido do êmbolo. Q = 0 Primeira Lei da Termodinâmica U = Q – δ Q = 0 U= - δ Compressão adiabática Trabalho transforma-se em calor Q = 0 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. δ Área sob o grafico Processo adiabático Transformação sem troca de calor

19 3.- ciclo = = área ciclo > 0 Q ciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama P V : horário. O sistema recebe Q e entrega 1 a Lei da Termodinâmica U ciclo = Q ciclo - ciclo Q ciclo = ciclo 1.- U ciclo = U = 0 pois T final = T inicial 2.- Q ciclo = Q Processos cíclicos

20 Trabalham em ciclos. Máquinas Térmicas

21 Fonte quente Fonte fria Trabalho Ciclo De onde a máquina retira calor Q Hot. Para onde a máquina rejeita calor Q Cold A máquina de Denis Papin

22 Transformações máquinas térmicas - Diagrama PV

23 Ciclo de Otto

24 Ciclo Diesel

25 Em cada ciclo Rendimento (Eficiência) térmica: 1ªLei

26 Refrigerador Bomba de calor 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 Refrigerador

27 Primeira Lei da Termodinâmica Em cada ciclo U = 0 + Q 2 = Q 1 = Q 1 - Q 2 Coeficiente de Performance – COP COP refrigerador = Q 2 / = Q 2 /(Q 1 - Q 2 ) = T 2 /(T 1 – T 2 ) COP bomba calor = Q 1 / = Q 1 /(Q 1 - Q 2 ) = T 1 /(T 1 -T 2 ) Uma bomba de calor necessita de W da rede para funcionar e aquece 1 litro de água de 0,5 o C /s. Qual o COP desta bomba? COP - Coeficiente de Performance

28 1 a Lei da Termodinâmica A energia total do Universo, com ou sem transformações, permanece constante. 2 a Lei da Termodinâmica A disponibilidade de energia para realização de trabalho diminui após cada transformação 2 a Lei da Termodinâmica

29 Refrigerador ou Bomba de Calor Segunda Lei Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclo termodinâmico, não produza outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para outro quente. COP Refrigerador = Q 2 /δ COP Bomba Calor = Q 1 / δ

30 Máquinas Térmicas = 2 – 1 2 a LeiTermodinâmica Formulação de Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. η = /Q 1 = [1 - T 2 /T 1 ] < 1 Ou seja uma máquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em trabalho.

31 Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. Formulação Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Segunda Lei Termodinâmica Ambas são afirmações negativas. Não podem ser demonstradas. Baseiam-se em evidências experimentais. A 2 a Lei enuncia a impossibilidade de construção de moto perpétuo de 2 a espécie. Moto Perpétuo 1 a Espécie: criaria trabalho do nada. Viola a 1 a Lei. 2 a Espécie: viola a 2 a Lei 3 a Espécie: inexistencia de atrito produziria movimento eterno sem realização de trabalho

32 Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ? η = [1 – Q 2 /Q 1 ] Q 1 0 η 1 É possível construir esta máquina? η 100%

33 Máquinas Térmicas 100% de rendimento ? Impossível! Qual o máximo rendimento de uma Máquina Térmica?

34 A construção de uma máquina ideal Definição de um processo ideal. Processo reversível. Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem deixar vestígios no sistema e no meio circundante. Processo reversível: desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

35 Causas que tornam um processo irreversível. Atrito Expansão não resistida. Troca de calor com diferença finita de temperatura. Mistura de 2 substâncias diferentes. Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, Histerese, etc. O processo de troca de calor pode ser reversível se for feita mediante diferença infinitesimal de temperatura, mas que exige tempo infinito ou área infinita. Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

36 A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: U=0 = Q 1 - Q 2 η = /Q 1 = [Q 1 -Q 2 ]/Q 1 = 1 - Q 2 /Q 1 Q 2 /Q 1 = T 2 /T 1 η = (1 - Q 2 /Q 1 ) = (1 - T 2 /T 1 ) η = 1 - T 2 /T 1 Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T 1 e T 2, pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios" BC e DA = adiabáticas Ciclo reversível A máquina ideal de Carnot


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