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Termodinâmica. Todas as atividades físicas que realizamos no dia-a-dia (caminhar, deslocar objetos, dançar) podem ser consideradas como trabalho que vai.

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1 Termodinâmica

2 Todas as atividades físicas que realizamos no dia-a-dia (caminhar, deslocar objetos, dançar) podem ser consideradas como trabalho que vai aumentar a energia do ambiente.

3 Além disso, nós continuamente perdemos energia, irradiando-a na forma de calor, sempre que a temperatura de nosso corpo é maior do que a externa.

4 Posteriormente, a energia assim perdida é recuperada através dos alimentos e da respiração. Todo sistema pode ser observado do ponto de vista das trocas de energia com o ambiente externo. É esse o aspecto que interessa à Termodinâmica, estuda as leis pelas quais os corpos trocam (cedendo e recebendo) trabalho e calor com o ambiente que os circunda.

5 A Termodinâmica se ocupa das transformações de calor em trabalho que ocorrem em todos os motores térmicos (motor a explosão, motor a reação, máquina a vapor, etc.).

6 A Termodinâmica se baseia em duas leis, conhecidas como princípios da Termodinâmica: O primeiro princípio da Termodinâmica é uma extensão do princípio da conservação da energia mecânica. Além do trabalho, ele inclui também o calor como forma de troca de energia. O segundo princípio da Termodinâmica estabelece algumas limitações à possibilidade de transformar calor em trabalho.

7 Gases ideais Podemos imaginar um gás como sendo constituído por um grande número de moléculas que guardam grandes distâncias entre si, enquanto que os sólidos e os líquidos consistem de átomos e moléculas intimamente unidos. As moléculas de um gás movimentam-se através do espaço como uma saraivada de pequenas balas.

8 De vez em quando as moléculas colidem com as paredes do recipiente exercendo uma força momentânea. Essa sucessão de choques momentâneos é a pressão que empurra as paredes do recipiente onde o gás está contido.

9 Todos os gases têm o mesmo comportamento quando estão bastante rarefeitos e se encontram a uma temperatura muito maior do que aquela em que se tornam líquidos. Para caracterizar o estado de uma certa massa gasosa é necessário o conhecimento de três grandezas: a pressão, o volume e a temperatura.

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11 Lei de Boyle-Mariotte - Transformação isotérmica Quando a temperatura permanece constante, o volume de um gás é inversamente proporcional à pressão. Lei de Charles e Gay-Lussac - Transformação isobárica Quando a pressão permanece constante, o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Lei de Charles - Transformação isométrica, isocórica ou isovolumétrica Quando o volume permanece constante, a pressão de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta.

12 Considere um gás contido num cilindro cujo êmbolo pode se movimentar livremente e sobre o qual há um peso. Durante qualquer transformação sofrida pelo gás, a pressão se mantém constante, pois não varia o peso colocado sobre o êmbolo. Sejam P a pressão, V 1 o volume e T 1 a temperatura do gás na situação inicial. Fornecendo calor ao sistema através de uma fonte térmica, o gás se expande, deslocando o êmbolo. Na situação final, o volume do gás é V 2 e a temperatura é T 2, mantendo-se a pressão constante P. O gás aplicou uma força sobre o êmbolo, deslocando-o e realizando um trabalho W. Sendo  V= V 2 - V 1 a variação de volume ocorrida, o trabalho realizado pelo gás sobre o meio exterior é dado por W= P.  V.

13 O trabalho é uma grandeza algébrica e assume, no caso, o sinal da variação de volume, uma vez que a pressão é sempre positiva. Numa expansão, a variação de volume é positiva e, portanto, o trabalho realizado é positivo. Como o trabalho representa uma transferência de energia, o gás, ao se expandir, está perdendo energia, embora a esteja também recebendo, sob a forma de calor da fonte térmica.

14 Numa compressão, a variação de volume é negativa e, portanto, o trabalho realizado é negativo. Assim, quando um gás é comprimido, está recebendo energia do meio exterior. É usual dizer que na expansão o gás realiza trabalho sobre o meio exterior e que na compressão o meio exterior realiza trabalho sobre o gás.

15 Suponha que você leve uma pedra ao alto de um edifício; você aumenta a energia potencial da pedra. Se você larga a pedra ela cai com velocidade crescente. Sua energia potencial diminuirá, a energia cinética crescerá. Quando a pedra atinge o solo ela parece perder bruscamente toda sua energia cinética. Na verdade isso não se dá porque as moléculas da pedra e as do solo passam a vibrar mais fortemente. A energia cinética da pedra é toda transformada em outra forma de energia. (calor e som).

16 Durante o ano de 1840, Joule montou várias experiências, com o intuito de demonstrar que uma diminuição da energia mecânica acarretaria a transferência de uma quantidade de energia, na forma de calor, em igual valor. James Joule ( )

17 Seu invento mais famoso foi um dispositivo no qual duas massas presas por um fio passavam por duas roldanas. À medida que as massas desciam, o sistema de haletas girava, fazendo aumentar a temperatura da água no interior do recipiente.

18 Conhecendo as massas e as distâncias de queda ele determinou o trabalho feito; medindo com precisão o aumento da temperatura da água, ele determinou o calor produzido. Joule pôde, então, estabelecer a relação entre o trabalho e a quantidade de energia transferida na forma de calor.

19 Energia mecânica Energia térmica

20 Determinou que cada 4180 N.m de energia correspondem a 1000 cal. James Joule A unidade Newton. Metro chamou-se de Joule. 1 cal = 4,18J

21 Todo sistema apresenta uma energia interna bem definida, que depende do estado, ou seja, das condições em que o sistema se encontra. O estado de um gás aprisionado num recipiente, por exemplo, é descrito por meio dos valores de seu volume, de sua temperatura e de sua pressão. Se aquecermos esse gás, seu estado mudará e, em conseqüência, sua energia interna também será alterada.

22 O gás recebe ou cede calor através da parede do cilindro e realiza trabalho quando o êmbolo se move. Um corpo sobre o êmbolo mantém o gás sob uma certa pressão. Um termômetro instalado no cilindro indica a temperatura do gás. Tomemos um sistema termodinâmico simples: uma certa porção de gás contida num cilindro com êmbolo móvel.

23 Fornecendo calor a esse sistema, o gás se expande e realiza trabalho. Os primeiros estudos dos motores térmicos, já mostravam que o trabalho realizado nessa expansão é menor que o calor recebido pelo sistema. Por outro lado, durante a transformação, a temperatura do sistema aumenta, evidenciando um aumento de energia interna.

24 O primeiro princípio da termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma: A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado é igual ao aumento da energia interna. Algebricamente podemos escrever:  U= Q-W Sendo Q o calor recebido pelo sistema numa transformação, W o trabalho realizado por ele e  U a variação da energia interna.

25 Esta equação pode ser aplicada a qualquer sistema, desde que se atribuam sinais algébricos ao calor e trabalho. Q>0 quando o sistema recebe calor. Q 0 quando o volume do sistema aumenta W<0 quando o volume do sistema diminui. A variação de energia interna é positiva quando a temperatura aumenta e negativa quando a temperatura diminui.

26 Sempre é possível transformar completamente trabalho em calor. Por exemplo, quando um automóvel freia, o trabalho que foi realizado para colocá-lo em movimento se transforma integralmente em calor pelo atrito dos freios e pelo atrito entre os pneus e a superfície da estrada.

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28 Máquina Térmica

29 Por exemplo, o motor de um automóvel pode ser considerado uma máquina térmica que troca calor com duas fontes a temperaturas diferentes. Ele recebe calor da fonte a alta temperatura, constituída pelo cilindro no qual ocorre a combustão da mistura ar-gasolina. Uma parte desse calor é cedida ao ar (a fonte de calor com temperatura mais baixa), em que são despejados o gás de descarga e o calor do radiador. O restante da energia liberada pela combustão da gasolina serve para movimentar o automóvel. O calor descarregado no ar não é utilizado, tendo apenas o efeito de aquecer o ambiente.

30 O rendimento de qualquer máquina térmica é inferior a 100%. Na realidade, os rendimentos das máquinas térmicas estão situados muito abaixo desse limite. Por exemplo, nas locomotivas a vapor esse rendimento é cerca de 10%, nos motores a gasolina nunca ultrapassa 30% e nos motores Diesel, que estão entre as máquinas mais eficientes, o rendimento situa-se em torna de 40%.

31 A inevitável perda de energia utilizável devido ao atrito, perda de calor para o meio envolvente, etc., quando o calor é convertido em energia mecânica, deu aos cientistas motivo para exprimirem a proporção de energia que é utilizável para produzir trabalho, como rendimento do sistema. O rendimento expressa-se pela porcentagem de "energia útil", que pode ser extraída de um sistema, da "energia total" do combustível. Por exemplo, o rendimento de um motor a gasolina é de cerca de vinte por cento, quer dizer: por cada litro de gasolina queimada no motor, contendo uma energia calorífica de cerca de seis milhões de calorias, somente cerca de um milhão de calorias são utilizáveis para impulsionar o carro. Dos restantes oitenta por cento, cerca de três oitavos são absorvidos pelo sistema de arrefecimento e cinco oitavos perdidos como calor nos gases de escape e por atrito nos rolamentos.

32 Por comparação com esses valores, o rendimento de um motor elétrico, quando a energia elétrica é convertida em energia mecânica, é muito maior e pode atingir noventa e cinco por cento.

33 Ciclo de Carnot 1796 – Sadi Nicolas Léonard Carnot physicist: pioneer in thermodynamics: discovered the 2nd law of thermodynamics; died Aug 24, 1832

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35 Motor

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37 Entropia É um fato observado que, através do Universo, a energia tende a ser dissipada de tal modo que a energia total utilizável se torna cada vez mais desordenada e mais difícil de captar e utilizar. Quando conduzimos uma carro a energia armazenada na gasolina é convertida em calor por combustão e, depois, em energia mecânica, no motor. A energia mecânica, ordenada, assim produzida, dá origem ao movimento controlado e ordenado do carro. Mas parte dessa energia foi irrevogavelmente dissipada sob a forma de calor, na estrada, como resultado do atrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio da exaustão de gases e para vencer a resistência do vento. Perdemos essa energia para sempre.

38 Entropia A extensão do estado de desordem em que esta energia se encontra é medida por uma quantidade conhecida por entropia. Quanto maior é o estado de desorganização, tanto maior é a entropia, quanto menos extensa for a desorganização, menor é a entropia. De fato, como estabelece a termodinâmica, à temperatura de zero absoluto quando todas as vibrações atômicas e movimento param, a entropia é nula, porque não há movimento desordenado.

39 Outro exemplo: Suponha que temos água vermelha, com tinta, e água branca, sem tinta, em um tanque, com uma separação. Removendo delicadamente a separação, a água começa dividida, vermelha de um lado e branca do outro. Com o passar do tempo, a água vai gradativamente misturando-se, e no final temos água avermelhada, com a tinta uniformemente distribuída. Agora, mesmo que observemos a mistura por um longo período de tempo, ela não vai separar-se espontaneamente. A energia total do Universo tende a se tornar cada vez mais desordenada e, por conseqüência, podemos afirmar que a entropia do Universo cresce continuamente.

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