TERMODINÂMICA Prof. Rangel

GÁS Gás é um estado físico da matéria onde as moléculas tem maior energia e grau de liberdade. Características: O volume é igual ao do recipiente que o contem. Alta compressibilidade; Volume variável de acordo com a temperatura e pressão; As equações termodinâmicas funcionam bem para gases ideiais.

Sempre que um gás sofre uma modificação em pelo menos uma de suas Variáveis de estado, dizemos que o gás sofreu uma TRNASFORMAÇÃO GASOSA Compressão Expansão

T → temperatura p → pressão V → volume O Gás Ideal e as Variáveis de Estado Gas ideal (teoria cinética dos gases): A tamanho das partículas é despresível em relação a distancia média das moléculas. As partículas não interagem entre si; O choque entre as partícullas e estas com as paredes do Recipiente, é do tipo elástico ; Gases reais podem ser aproximados a gases perfeitos em altas temperaturas e baixas pressões; T → temperatura Variáveis de Estado: p → pressão Todo gás em um sistema termodinâmico pode ser representado pelas suas variáveis de estado. V → volume

A constante de Avogadro e a Equação de Ckayperon Mol: medida de quantidade de matéria no SI. 1 mol de moléculas tem → 6,02 x 1023 partículas. m : massa da amostra;   Número de moles (n) Mol : massa molar (massa presente em 1,602 x 1023 partículas/moléculas); Ex: Quantos moles de moléculas (e quantas moléculas) estão presentes em 200g de gás hidrogênio (H2)? M.molar do H = 1g/mol. Que volume ocupara este gás em litros (supondo p = 1atm e T = 0°C)?

As Transformações Gasosas São 4 as transformações gasosas: Transfomação Isotérmica: Sem variação de temperatura. Transfomação Isobárica: Sem variação de pressão. Transfomação Isovolumétrica: Sem variação de volume. Transfomação Adiabática: Sem trocas de calor.

A equação de Clayperon (relaciona as variáveis p, T, V):     p em atm, V em liros (L) e T em K (Kelvin).

A Tranformação Isotérmica A temperatura do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas pressão e volume. V1 V2 P1, V1 P2, V2   1: Expansão isotérmica. 2: Compressão isotérmica.

A Tranformação Isobárica A pressão do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas temperatura e volume. A pressão constante, o volume ocupado por um gás é diretamente pro porcinal a sua tempera tura. T1, V1 T2, V2 p1 = p2 = …. = pn  

A Tranformação Isocórica ou Isovolumétrica. O volume do gás não se altera neste tipo de transformação, apenas temperatura e pressão. O aumento da temperatura é proporcinal ao aumento de pressão. p1, T1 p2, T2  

A Tranformação Adiabática Neste tipo de transformação não há trocas de calor do gás com o ambiente externo. O aquecimento do gás se da pelo aumento de sua energia interna (energia cinética) e o resfriamento pela sua expansão (diminuição da energia interna/ ciné tica). São reações rápidas sem que haja tempo para que ocorra trocas de calor; p1, V1, T1 p2, V2 T2 Uma transform. Adiabática é regida pela Equação Geral dos Gases Perfeitos:   Gás é comprimido T aumenta. Gás expande T diminui.

Processo termodinâmico cíclico onde V, p e T variam. Gráfico de uma transformação adiabática. Exemplo de uma expansão adibática. Processo termodinâmico cíclico onde V, p e T variam.

Conceito de termodinâmica É a área da física que estuda as causas e os efeitos das mudanças de temperaturas (volume e pressão) em sistemas termodinâmicos. Termodinâmica Termo temperatura Dinâmica movimento Estuda as transformações de energia; variações de energia térmica em trabalho util (movimento util) Conversão entre calor e trabalho. Maquinas térmicas Motores a vapor; Motores de combustão interna; Refrigeradores;

Contexto histórico A primeira máquina térmica surgio na grécia, criada por Heron de Alexandria (eolípila) Antes mesmo da termodinâmica surgiram as máquinas térmicas a vapor. Em 1712 o engenheiro Thomas Newcomem construiu a primeira máquina a vapor para retirada de água das minas de carvão Em 1765 o mecânico escosês James Watt aperfeiçoou a méquina de Newcomem tornando-o mais eficiente – deflagra a revolução industrial

Primeiras máquinas térmicas (Revolução Industrial) Modelo “portátil” da máquina de James Watt utilizada em bombas e acinamento de teares

Motor a vapor de dupla ação utilizado nas locomotivas a vapor. Exaustão de vapor frio Admissão de vapor quente Correia de transmissão (acionamento de máquinas) volante Cilíndro e pistão admissão descarga

 < 0  > 0  = p. ΔV Relação trabalho calor -Q p p +Q gás Trabalho positivo: sistema (gás) executa trabalho sobre o ambiente Trabalho negativo: ambiente executa trabalho sobre o sistema (gás).  < 0  > 0 -Q p +Q p gás Gás é resfriado (perde calor) e comprimeido pelo pistão Gás é aquecido (recebe calor) e expande empurrando o pistão  = p. ΔV Trabalho: pressão do gás x variação de volume

 Primeira Lei da Termodinâmica  = Q - ΔU ΔU = Q -  +Q -Q ΔU gás A variação de energia interna de um gás ΔU, num processo termodinâmico, é dado pela diferença entre a qauntidade de calor Q tracada com o meio e o trabalho  realizado no processo  ΔU = Q -  ou  = Q - ΔU O trabalho realizado por um gás depende da quantidade de calor absorvido ou perdido por este gás descontando deste calor o que o gás absorveu para aumentar sua energia térmica +Q ΔU gás -Q

 > 0  > 0  < 0 Transformação Cíclica (sentido horário) p p É a transformação em que o sistema retorna ao seu estado inicial após uma compressão e/ou expansão p +Q p  > 0  < 0 v O ciclo térmico do gás gera um movimento de sobe e desce no pistão; movimento utilizado para acinamento mecânico -Q p

Máquina Térmica Opera entre trocando calor entre um reservatório quente e outro frio. Seu funcionamento se baseia nas transformações gasosas que ocorrem no fluído de trabalho (série de expansões e contrações, absorvendo e eliminando calor). O gás executa ou recebe trabalho at raves de uma parte móvel do motor (pistão – Biela, compressor – turbina ect).

  = Q1 – Q2 Segunda Lei da Termodinâmica É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito único retirar calor de uma fonte térmica e converte-la integralmente em trabalho  . T1 Fonte quente A máquina térmica retira calor Q1 de uma fonte quente a temperatura T1. Parte deste calor Q2 é convertido em trabalho e outra parte é rejeitada para uma fonte fria a T2 Q1   = Q1 – Q2 Máquina térmica Q2 Nenhuma máquina térmica pode converter 100% do calor recebido da fonte quente em trabalho. Fonte fria T2

Refrigerador O refrigerador é uma máquina térmica que trabalha no sentido inverso a segunda lei da termodinâmica, ou seja, retira calor de uma fonte fria e devolve a uma fonte quente (sentido inverso a propagação natural de calor). Como este processo não acontece naturalmente é preciso executar trabalho. T2 Fonte quente Gás refrigerante em expansão endotérmica. Q2  Gás comprimido Liquefeito (compressor exerce trabalho sobre o gás) compressor Q1 Gás comprimido liquefeito perde calor na Serpentina. T1 Fonte fria

Rendimento de uma máquina térmica () O rendimento de uma máquina térmica é fornecido pela equação: Calor cedido a fonte fria.   Calor absorvido da fonte quente. Nenhuma máquina térmica consegue ter um rendimento superior a uma Máquina de Canot (máximo rendimento para uma máquina térmica operando entre as temperaturas T1 e T2) A máquina térmica de Carnot foi idealizada Nicolas Sadi Carnout em 1824. sua máquina teórica aperava com cliclos térmicos de gás ideal     T. da fonte fria (em K) T. da fonte quente (em K)

Idealizado pelo engenheiro Francês Nicolas Sadi Carnot (1796 - 1832). O Ciclo de Carnot Idealizado pelo engenheiro Francês Nicolas Sadi Carnot (1796 - 1832). Os postulados de Canot. Ao operar entre duas temperaturas, a máquina ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer que seja o fluído operante Nenhuma máquina operando entre duas fontes térmicas tera rendimento maior que uma máquina de Carnot, ope rando com as mesmas fontes térmicas. O rendimento de uma máquina de Carnot: Temperatura da fonte fria.   Temperatura da fonte quente.

Motores de combustão interna São chamados motores de combustão interna as máquinas térmicas cujo o combustível é queimado dentro do cilíndo – a fonte quente é gerada dentro do cilíndro. Motores de carros, motos e similares que operam no Ciclo Diesel e Ciclo Otto Motor de 4 tempos operando no Ciclo Otto Vela de ignição Válvulas Duto de exaustão Duto de admissão 1 Admissão da mistura de ar + combustível vaporizado (gasolina e álccol) 2 Compressão da mistura até o ponto morto superior do pistão; 3 Explosão da mistura pela faisca da vela; 4 Exaustão dos gases da combustão;

Ciclo termodinâmico do motor de 4 tempos (ciclo padrão de ar Otto) AB Compressão adiabática: compressão da mistura de ar e combustível a alta temperatura; Aquecimento isocórico: fonte térmica (faísca da vela) eleva instantâneamente a pressão dos gases sem que ocorra o deslocamento do pistão; BC CD Expanssão adiabática: expansão brusca dos gases quentes empurrão o pistão para baixo; DA Expanssão isocórica (volume constante): abertura do escapamento provoca rapida baixa de pressão (exaustão dos gases da combustão) p C B D A v

Motor de 2 tempos Bloco; Duto de exaustão; Mistura de ar e combustível;

Motores de Reação