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AULA 3. TERMODINÂMICA A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para.

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1 AULA 3

2 TERMODINÂMICA A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem freqüentemente ao nosso redor. A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação de energia térmica em energia de movimento.

3 TERMODINÂMICA Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas.revolução industrial

4 ENERGIA TÉRMICA Quando analisamos microscopicamente um corpo nos estados sólido, líquido e gasoso, podemos perceber que: No estado sólido, as partículas que constituem o corpo possuem uma grande vibração em torno de sua posição, perfeitamente definida no interior do corpo. No estado líquido, as partículas, além de vibrarem, apresentam movimento de translação no interior do líquido.

5 ENERGIA TÉRMICA No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem intensamente, também transladam com grande velocidade no interior da massa gasosa. Podemos concluir que, as partículas constituintes do corpo, possuem energia de agitação. À energia de agitação das partículas do corpo, chamamos de energia térmica.

6 ENERGIA INTERNA (U) Os sistemas materiais termodinâmicos são capazes de armazenar em seu interior qualquer energia recebida, assim como de restituí-la ao mundo exterior. Qualquer corpo material é então capaz de constituir uma reserva de energia, denominada energia interna. A energia interna da matéria é: U = E c + E pint E c é a soma das energias cinéticas das moléculas E pint é a energia potencial de interação entre as moléculas (energia potencial interna) No caso dos gases, onde a distância entre as moléculas é grande, a energia potencial interna é pequena, sendo portanto sua energia interna U predominantemente cinética.

7 ENERGIA INTERNA (U) Nos sólidos e líquidos, as distâncias entre as moléculas são pequenas, a interação entre as moléculas é grande e a energia potencial interna da interação entre as moléculas contribui significativamente para sua energia interna.

8 ENERGIA INTERNA (U) - GASES Determinar a energia interna de um gás não é uma tarefa simples, mas se considerarmos este gás como um gás perfeito, a energia interna pode ser determinada pela lei de Joule. Onde: U é a energia interna. R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado). T é a temperatura. n é o numero de mols.

9 ENERGIA INTERNA (U) - GASES Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema. Resumindo: No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a temperatura, em Kelvin.

10 TRABALHO (ζ) A energia interna U de um sistema de partículas pode ser modificada quando forças externas e internas realizam trabalho sobre o sistema (forças internas são aquelas que uma parte do sistema exerce sobre a outra parte do sistema). Quando as forças internas são conservativas, apenas as forças externas modificam a energia interna do sistema de partículas. No modelo que estamos utilizando não existem forças internas não conservativas (quando o trabalho de uma força não depende da trajetória, dizemos que esta é uma força conservativa). A variação da energia interna é o trabalho das forças externas não conservativas sobre o sistema.

11 TRABALHO (ζ) Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante. Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um conseqüente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.trabalho Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho.

12 TRABALHO (ζ) De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado na figura abaixo.

13 TRABALHO (ζ) O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume. Para que o trabalho de um sistema seja diferente de zero, é obrigatória uma variação de volume do sistema. Em transformações isométricas, ou seja, com volume constante, o trabalho vale zero. Da relação de trabalho e variação de volume temos: Unidade de trabalho: no sistema internacional, o trabalho é medido em joules.

14 CALOR Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. A transferência de energia produzida apenas por uma diferença de temperatura denomina-se transferência de calor ou fluxo de calor, e a energia transferida deste modo denomina-se calor. Sendo o calor uma forma de energia, deve ser expresso em unidades de energia. No sistema SI, a unidade de energia é o joule (Nm). Historicamente, a primeira unidade de calor utilizada foi a caloria.

15 CALOR – Capacidade térmica e Calor específico Em um recipiente contendo água na temperatura de 30ºC, foi introduzido um pedaço de aço a 120ºC. Com o passar do tempo, podemos perceber que o aço vai esfriando e a água vai se aquecendo até que ambos passam a ter mesma temperatura. Nessa situação, dizemos que os dois estão em equilíbrio térmico. O fato da água ter aumentado a sua temperatura significa que suas partículas aumentaram a sua agitação térmica. Mas quem forneceu esta energia?

16 CALOR – Capacidade térmica e Calor específico Certamente podemos concluir que o aço, ao se resfriar, forneceu energia para a água. Portanto, houve uma passagem de energia do aço para a água. Esta energia, em trânsito é chamada de calor. Conseqüentemente, se colocarmos dois corpos em diferentes temperaturas, em contato ou próximos, haverá passagem de energia do corpo cujas partículas estão com um grau de agitação maior (maior temperatura) para o corpo de partículas menos agitadas (menor temperatura). Essa energia leva o nome de calor e seu trânsito dura até o momento em que os corpos atingem o equilíbrio térmicos, isto é, a mesma temperatura.

17 CAPACIDADE TÉRMICA Define-se a capacidade térmica C de um corpo como a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em 1C. C = Q/ T, [C] = [cal/C] ou [joule/C]. Quanto maior é o valor de C, maior será a quantidade de calor necessária para modificar sua temperatura. Diferentes substâncias têm diferentes capacidades térmicas.

18 CALOR ESPECÍFICO O calor específico de um corpo é a relação entre a capacidade térmica e sua massa: c = C/m, [c] = [cal/C. g] Define-se o calor específico como a energia necessária para modificar a temperatura de um grama da substância em um grau.

19 CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO Nas faixas de temperatura onde o calor específico é constante, o calor necessário para modificar a temperatura de um corpo em T é: Q = m c T (cal). É importante ressaltar que, com essa definição, quando o corpo fornece calor para as suas vizinhanças, a sua temperatura diminui e o calor Q é negativo. Quando colocamos vários corpos (por exemplo, três massas) com temperaturas diferentes em um recipiente isolado termicamente do exterior, eles trocam calor entre si até atingir o equilíbrio térmico. Como não há fluxo de calor através das paredes do recipiente, a energia interna do sistema permanece constante. Portanto, o somatório do calor trocado por cada uma das massas e o seu exterior é zero. Qtotal = Q1+ Q2 + Q3 = 0.

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21 PROCESSOS TERMODINÂMICOS Um processo termodinâmico é um evento caracterizado pela variação de uma ou várias funções de estado de determinado sistema. Quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico e sofre uma pequena variação (infinitesimal) em algumas de suas funções de estado, se deixado isolado, ele encontrará naturalmente uma outra situação de equilíbrio, como novos valores de suas funções de estado. Chama-se a essa mudança infinitesimal de processo quase estático. Um processo reversível é necessariamente uma seqüência de processos quase estáticos. Para que um processo seja reversível é necessário que conheçamos todas as micro-transformações que aconteceram entre o estado inicial e o estado final.

22 PROCESSOS TERMODINÂMICOS As mudanças que sofrem algumas grandezas quando que acontece numa transformação termodinâmica estão relacionadas através da equação que define a Primeira Lei da Termodinâmica: ΔE = Q W Onde: ΔE = energia interna do gás Q = calor absorvido pelo gás W = trabalho executado pelo gás

23 PROCESSO ADIABÁTICO Q = 0; sem troca de calor com o ambiente. Como não existe troca de calor entre o sistema (gás) e o ambiente, as transformações estão associadas a troca de trabalho entre o sistema e o meio. As funções de estado p, V e T podem variar, mas sem que isso signifique uma troca de energia em forma de calor. O sistema poderá trocar com o ambiente, energia em forma de trabalho. Por exemplo; o ambiente executará trabalho sobre o sistema diminuindo o volume deste sistema, e conseqüentemente aumentando a sua pressão e a sua temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema

24 PROCESSO ISOVOLUMÉTRICO Volume constante. Em um processo isovolumétrico, não existe troca de energia na forma de trabalho entre o sistema e o ambiente. As funções de estado p e T podem variar. Poderão acontecer trocas de energia na forma de calor, entre o sistema e o ambiente. Por exemplo, o sistema absorverá calor do ambiente, e mantendo o volume constante, acontecerá um aumento tanto da pressão quanto da temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema.

25 PROCESSO ISOBÁRICO Pressão constante. Num processo isobárico poderá acontecer troca de energia tanto em forma de calor como em forma de trabalho. As funções de estado V e T podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento do volume, sem que aconteça variação da pressão. Acontecerá a variação da energia interna do sistema.

26 PROCESSO ISOTÉRMICO Temperatura constante. Num processo isotérmico poderá acontecer troca de energia tanto em forma de calor como em forma de trabalho. As funções de estado p e V podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento da pressão e volume, sem que aconteça variação da temperatura. Não acontecerá a variação da energia interna do sistema.

27 TERMODINÂMICA E BIOLOGIA Os organismos vivos não constituem exceções às leis da termodinâmica. Eles incorporam, de seu meio ambiente, uma forma de energia que pode ser utilizada por eles nas condições especiais de temperatura e pressão nas quais vivem (energia livre) e, em seguida, repõe ao meio ambiente uma quantidade equivalente de energia em forma, menos utilizável (calor e outras formas de energia). A modalidade utilizável de energia que as células incorporam é denominada energia livre, que pode, ser definida como o tipo de energia capaz de produzir trabalho em condições de temperatura e pressão constantes.

28 TERMODINÂMICA E BIOLOGIA O fluxo de energia nos seres vivos é estudado pela bioenergética a partir leis da fundamentais da termodinâmica. Os seres vivos são descritos termodinamicamente como estruturas ou sistemas dissipativas, ou seja são sistemas que utilizam fluxos de energia para aumentar sua ordem interna e operam longe do equilíbrio termodinâmico. Como as células operam a temperatura constante torna-se necessário o uso de reações químicas como forma de transferência e armazenamento de energia.

29 TERMODINÂMICA E BIOLOGIA As células utilizam o acoplamento de reações para que a energia de uma reação espontânea possa ser utilizada no favorecimento de reações não espontâneas. Entre todas as moléculas utilizadas nos processos vivos a molécula de ATP, tem um papel central na conservação de energia pelas células vivas pela sua capacidade de armazenar energia na ligação do terceiro grupo fosfato e pela capacidade de transferência do grupo fosfato, formação de ligações de fosforilação, o que é essencial na formação de ácidos nucléicos, movimentação de flagelos e quebra e composição de moléculas.

30 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Sobre um sistema, realiza-se um trabalho de 3000 J e, em resposta, ele fornece 1000cal de calor durante o mesmo intervalo de tempo. A variação de energia interna do sistema, durante esse processo, é, aproximadamente: (considere 1,0 cal = 4,0J) a) –1000J b) +2000J c) –4000J d) +4000J e) +7000J Resposta: A

31 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Num calorímetro contendo 200g de água a 20°C coloca-se uma amostra de 50g de um metal a 125°C. Verifica-se que a temperatura de equilíbrio é de 25°C. Desprezando o calor absorvido pelo calorímetro, o calor específico sensível desse metal, em cal/g°C, vale: a) 0,10 b) 0,20 c) 0,50 d) 0,80 e) 1,0 Resposta: B

32 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Uma barra de cobre de massa 200g é retirada do interior de um forno, onde estava em equilíbrio térmico, e colocada dentro de um recipiente de capacidade térmica 46cal/°C que contém 200g de água a 20°C. A temperatura final de equilíbrio é de 25°C. A temperatura do forno, em °C, é aproximadamente igual a: Dado: C Cu = 0,03 cal/g°C a) 140 b) 180 c) 230 d) 280 e) 300 Resposta: C

33 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Um ser humano adulto e saudável consome, em média, uma potência de 120J/s. Uma caloria alimentar (1kcal) corresponde, aproximadamente, a 4,0 x 10 3 J. Para nos mantermos saudáveis, quantas calorias alimentares devemos utilizar, por dia, a partir dos alimentos que ingerimos? a) 33 b) 120 c) 2,6x10 3 d) 4,0 x10 3 e) 4,8 x10 5 Resposta: C

34 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS fisica/calorimetria fisica/calorimetria


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