W Compressão do gás Expansão do gás O trabalho realizado pelo gás é positivo O trabalho realizado sobre gás é negativo O trabalho total realizado pelo gás à medida que o seu volume se altera de Vi para Vf é dado por W é a área sob a curva W O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica – um diagrama PV

EXPANSÃO DO GÁS e COMPRESSÃO DO GÁS

Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V) O trabalho realizado pelo gás depende da trajectória seguida entre os estados inicial e final W2 W3 W1 Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V)

Calor em processos termodinâmicos De maneira semelhante, também se descobre que a energia transferida pelo calor para dentro ou para fora do gás depende do processo pelo qual é transferido a) Um gás à temperatura Ti se expande lentamente absorvendo energia de um reservatório à mesma temperatura b) Um gás expande rapidamente numa região onde se fez vácuo depois que uma membrana é rompida Em cada caso o gás tem o mesmo volume, temperatura e pressão iniciais e é considerado ideal Portanto concluímos que a transferência de energia pelo calor, assim como o trabalho realizado, depende do processo seguido entre os estados inicial e final do sistema

2.5 Primeiro Princípio da Termodinâmica Caso especial do princípio da conservação de energia: a única variação na energia dum sistema é a variação na sua energia interna U, e os únicos mecanismos de transferência de energia são o calor Q e o trabalho W Primeiro princípio da termodinâmica Q é a energia transferida para o gás W é o trabalho realizado pelo gás Significa que a variação da energia interna de um sistema, é igual à soma da energia transferida através da fronteira do sistema pelo calor e a energia transferida pelo trabalho Quando um sistema é submetido a uma mudança infinitesimal em seu estado, tal que uma pequena quantidade de energia dQ transferida pelo calor e uma pequena quantidade de trabalho dW realizado pelo sistema, a energia interna também varia de uma quantidade pequena dU

2.6 Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica Processos termodinâmicos: adiabático, isométrico (ou isocórico), isotérmico e o cíclico Processo adiabático Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, de maneira que a transferência de energia pelo calor não existe Q=0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica O trabalho realizado pelo gás é negativo, representando a transferência de energia para dentro do sistema, de maneira que a energia interna aumenta. E quando o gás se expande adiabaticamente, é negativo A expansão livre é um processo adiabático único, em que nenhum trabalho é realizado sobre o gás. Como Q=0 e W=0 obtemos . Não há variação na temperatura durante uma expansão livre adiabática

Processo isométrico (ou isocórico) Processo isobárico Processo que ocorre a uma pressão constante Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica Processo isométrico (ou isocórico) No processo isométrico, o volume é constante e é criado segurando-se o pistão de maneira que ele não se mova W=0 Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema

Processo isotérmico ou Isoterma Num processo isotérmico a temperatura é constante Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica A energia que entra no gás por meio do trabalho sai do gás por meio do calor, de modo que a energia interna permanece fixa ou

Processo cíclico O sistema não isolado começa e termina no mesmo estado Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinas térmicas

2.7 Mecanismos de Transferência de Energia em Processos Térmicos Condução Em escala atómica há uma troca de energia cinética entre moléculas, na qual as moléculas menos energéticas ganham energia colidindo com moléculas mais energéticas - Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno de suas posições de equilíbrio - À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chama começam a vibrar com amplitudes cada vez maiores - Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação de temperatura do metal A taxa de condução depende das propriedades da substância

Taxa de transferência de energia pelo calor Considere um bloco cujo material tem espessura e uma secção de área A, cujas faces opostas têm temperaturas T1 e T2, onde T2> T1 Taxa de transferência de energia pelo calor T2 H é a potência T2 T1 (Watts) T1 Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura dT, podemos escrever a lei da condução como k é chamada de condutividade térmica do material é o gradiente de temperatura (variação da temperatura com a posição)

A taxa de transferência de energia pelo calor será Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa e uniforme e de comprimento L Está isolada de modo que a energia não possa escapar pelo calor a partir da sua superfície excepto nas extremidades, que estão em contacto térmico com reservatórios que têm temperaturas T1 e T2 T2 T1 No estado estacionário a temperatura em cada ponto ao longo da barra é constante no tempo A taxa de transferência de energia pelo calor será k é a condutividade térmica

A Tabela mostra a condutividade térmica de diferentes substâncias

Convecção A energia é transferida pelo movimento de um fluido Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver a água À medida que a água é aquecida numa panela, as camadas inferiores são aquecidas primeiras. Essas regiões se expandem e sobem porque tem uma densidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, a água mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aí pode ser aquecida. O mesmo processo ocorre numa sala aquecida por um aquecedor

Constante de Stefan-Boltzmann: Radiação A energia é transferida pela radiação electromagnética A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas eléctricas Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de suas moléculas A potência irradiada pelo corpo em Watts Constante de Stefan-Boltzmann: W/m2K4 A é a área da superfície do corpo em metros quadrados e é uma constante chamada emissividade T é a temperatura da superfície do corpo em kelvins