Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física

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1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física
Ensino Médio, 2º Ano Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot

2 Variáveis de estado de um gás perfeito
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot RECORDANDO... Variáveis de estado de um gás perfeito O estado de um gás é determinado pelos valores das grandezas PRESSÃO, VOLUME E TEMPERATURA num determinado instante. Essas grandezas são chamadas de VARIÁVEIS DE ESTADO, pois a qualquer momento podem sofrer mudanças. TEMPERATURA: é importante notar que, em um gás, a temperatura está relacionada com a velocidade das partículas. Podemos perceber que quanto maior a temperatura do gás, maior será a velocidade média de suas partículas. Portanto, existe uma relação entre a temperatura do gás e a energia cinética média das partículas. PRESSÃO: ocorre devido ao movimento caótico da partículas que a todo instante estão colidindo com as paredes internas do recipiente. VOLUME: os gases não possuem forma nem volume definidos. Sabemos que o volume de um gás é igual ao volume do recipiente que o contém.

3 TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Imagens: SEE-PE

4 TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA ou FECHADA
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA ou FECHADA Uma transformação gasosa será chamada de CÍCLICA OU FECHADA, quando o estado final dessa transformação coincide com o seu estado inicial. É fácil notar que um gás, quando realiza uma transformação cíclica, também recebe trabalho do meio, sendo o trabalho total a soma desses trabalhos parciais. Cada vez que o gás retornar ao seu estado inicial dizemos que a transformação completou UM CICLO. Observe nesse caso que o gás ocupa um vi, tem uma Ti e exerce uma pi. Assim após receber um trabalho o gás volta às condições iniciais.

5 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot CÁLCULO DO TRABALHO NUMA TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA p B O V TAB A p B O V TAB A p B O V TAB A Imagem: A curva fechada do gráfico acima representa uma transformação cíclica Fonte: No diagrama de pressão x volume, a transformação cíclica é representada por uma curva fechada. Nesse caso, o trabalho do ciclo é dado numericamente pela ÁREA INTERNA DA CURVA que representa o ciclo.

6 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot IMPORTANTE Quando o ciclo estiver orientado no SENTIDO HORÁRIO, isto indica que o trabalho realizado pelo gás é maior que o recebido. Dessa forma ciclo no sentido horário indica   0. P B A T Quando o ciclo estiver orientado no SENTIDO ANTI-HORÁRIO, isto indica que o trabalho realizado pelo gás é menor que o recebido. Dessa forma ciclo no sentido anti-horário indica   0. V Fonte: Imagem: sentido da transformação P B A T Como na transformação cíclica U=0, pela 1ª lei da Termodinâmica Q = . Por exemplo, se o gás recebe 50 J de calor do ambiente durante o ciclo, ele realiza sobre o ambiente um trabalho de 50 J. V

7 EXEMPLOS FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot EXEMPLOS P(Nqm²) B TAB A V(m³) 30 10 0,1 0,3 D C 6.105 2.105 1. (PUC-SP) Uma amostra de gás ideal sofre o processo termodinâmico cíclico representado no gráfico a seguir. Ao completar um ciclo, o trabalho, em joules, realizado pela força que o gás exerce nas paredes do recipiente é: a) b) c) d) e) - 6 2. Um gás sofre uma transformação cíclica ABCDA, conforme indicado no diagrama p x V.  a) Sendo TA = 300 K a temperatura no estado representado pelo ponto A, determine as temperaturas em B, C e D.  b) Calcule o trabalho que o gás troca com o meio exterior ao percorrer o ciclo. Neste ciclo o gás realiza ou recebe trabalho do meio exterior?

8 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot 3. A figura representa uma transformação cíclica ABCA sofrida por um gás perfeito. Determine: a) o trabalho realizado em cada transformação; b) o trabalho do ciclo; c) a quantidade de calor correspondente ao ciclo. 4. Um gás perfeito descreve o ciclo ABCDA como indica a figura ao lado. Calcule, para o ciclo: a) o trabalho realizado; b) a quantidade de calor; c) a variação de energia interna. Fonte: p(atm) C V(l) 4,0 1,0 10 40 A B 3 1 D

9 AS MÁQUINAS TÉRMICAS E A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot AS MÁQUINAS TÉRMICAS E A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Imagem: Nicolás Pérez / GNU Free Documentation License. Imagem: Luis Rizo / Domínio Público. MÁQUINAS TÉRMICAS são máquinas capazes de realizar um trabalho através da transferência de calor entre duas fontes: uma quente e outra fria. Através de ciclos, parte do calor retirado da fonte quente é transformado em trabalho e outra parte é transferido para a fonte fria. Imagem: Panther / GNU Free Documentation License.

10 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot A importância da Revolução Industrial para o desenvolvimento da Termodinâmica A REVOLUÇÃO INDUSTRIAL teve início no século XVIII, na Inglaterra, com a mecanização dos sistemas de produção. Enquanto na Idade Média o artesanato era a forma de produzir mais utilizada, na Idade Moderna tudo mudou. A burguesia industrial, ávida por maiores lucros, menores custos e produção acelerada, buscou alternativas para melhorar a produção de mercadorias. Também podemos apontar o crescimento populacional, que trouxe maior demanda de produtos e mercadorias. Com a Revolução Industrial, as máquinas substituíram várias ferramentas e eliminaram algumas funções antes exercidas pelos operários. Nessa época, as máquinas térmicas mais utilizadas foram trens, navios e os primeiros automóveis. Somente no século XVIII vieram a ser construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de realizar trabalho em escala industrial. Fonte: Imagem: Autor desconhecido / Domínio Público.

11 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot Imagem: F. A. Brockhaus / Domínio Público. NICOLAS COGNUT pode ser considerado o pai do moderno automóvel ao ter iniciado por volta de durante o reinado do Rei Luís XV - o desenvolvimento dos veículos propulsionados a vapor, através da invenção de um carro assente em 3 rodas. Imagem: Autor desconhecido / Domínio Público.

12 A máquina a vapor de Newcomen
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot A máquina a vapor de Newcomen Imagem:Meyers Konversationslexikon / Domínio Público. Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License. Em 1712, THOMAS NEWCOMEN constrói uma máquina a vapor que será a primeira a ser amplamente usada. Sua função era drenar as minas de carvão da Inglaterra.

13 A BUSCA PELA EFICIÊNCIA
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot A BUSCA PELA EFICIÊNCIA Até 1824, os cientistas acreditavam que as máquinas térmicas poderiam atingir o rendimento de 100%, ou seja, transformar todo o calor recebido em trabalho. As primeiras máquinas térmicas, inventadas no século XVIII, consumiam grande quantidade de combustível para produzir um trabalho relativamente pequeno. Por volta de 1770, o inventor escocês JAMES WATT apresentou um novo modelo de máquina térmica que veio substituir com enormes vantagens as máquinas já existentes, pois sua potência era maior convertendo assim uma maior fração do calor em trabalho. Porém a eficiência de 100% jamais seria atingida. A máquina a vapor de Watt passou a ser amplamente usada nas fábricas, sendo considerada um dos fatores que provocaram a famosa Revolução Industrial. Imagem:Eclipse.sx / GNU Free Documentation License.

14 Nicolas Léonard Sadi Carnot
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot SADI CARNOT Imagem: Sadi Carnot / Domínio Público. Imagem: Materialscientist / Domínio Público. Imagem: SEE-PE Nesse livro, Carnot concluiu que a perda de calor pelas máquinas térmicas era uma consequência natural por se usar o calor como fonte obtenção do trabalho. Essa conclusão que passou a ser considerada a PRIMEIRA VERSÃO da 2ª Lei da Termodinâmica. Ela ocorreu antes do estabelecimento da 1º Lei, já que naquela época ainda se discutia o conceito de energia. Um conceito que ainda não estava claro, pois ainda existia o debate sobre as teorias do FLOGÍSTICO e o CALÓRICO. Nicolas Léonard Sadi Carnot  (1796 — 1832)

15 2ª LEI DA TERMODINÂMICA (Clausius)
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot Posteriormente, RUDOLPH CLAUSIUS retomou os estudos de CARNOT para processos irreversíveis e ampliou para processos reversíveis combinando com a espontaneidade do FLUXO DE CALOR. Desse trabalho enunciamos: 2ª LEI DA TERMODINÂMICA (Clausius) “O calor sempre flui espontaneamente da fonte quente para a fonte fria; para ocorrer o contrário existe a necessidade de se realizar um trabalho externo”. Imagem: SEE-PE Também descobriu que, nos processos reversíveis, a relação entre o calor trocado pelo sistema e sua temperatura absoluta não variava, enquanto que nos processos irreversíveis ela aumentava. A esse aumento CLAUSIUS deu o nome de ENTROPIA(S).

16 TRANSFORMAÇÕES REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot ENTROPIA é a medida de quanto um sistema se desorganiza. Para processos reversíveis ela permanece constante enquanto que nos irreversíveis ela aumenta. Dessa forma os sistemas tendem a degradar energia naturalmente. Nas transformações irreversíveis a ENTROPIA é a medida da parte da energia que não é convertida em trabalho. Imagem: Mysid / Domínio Público. TRANSFORMAÇÕES REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS Chamamos de TRANSFORMAÇÕES REVERSÍVEIS aquela que após o seu final o sistema retorna às suas condições iniciais pelo mesmo caminho, passando pelos mesmos estágios na sequência inversa sem a interferência de fatores externos. Já nas TRANSFORMAÇÕES IRREVERSÍVEIS isso não ocorre.

17 RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA ()
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA () O Rendimento de qualquer sistema é sempre representado pela relação entre a quantidade útil da grandeza e a quantidade total. Assim também acontece com as máquinas térmicas. Dessa forma, a quantidade útil se refere ao trabalho realizado e a quantidade total refere-se à quantidade de calor retirada da fonte quente. Observe que a máquina ideal deveria ter rendimento de 100% (=1). Para que isso acontecesse seria necessário que a quantidade de calor rejeitado para a fonte fria fosse zero. Como mostrou Carnot, isso é impossível. Na prática, os valores do rendimento são baixos, por exemplo, em motores a gasolina (entre 21% e 25%). Fonte: FUKUI, Ana. Física: Ensino Médio. 2ª série. 1ª ed. Edições SM, 2009.

18 CICLO DE CARNOT FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot CICLO DE CARNOT Foi Sadi Carnot o idealizador de um ciclo termodinâmico que não seria levado em consideração as dificuldades técnicas que um ciclo de uma máquina térmica real possui. Logicamente esse ciclo passou a ser considerado um ciclo teórico que operaria com um rendimento máximo, independente de qual substância gasosa fosse utilizada. Esse ciclo foi composto numa sequência de quatro transformações reversíveis, sendo duas adiabáticas e duas isotérmicas. Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2, pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios." expansão isotérmica (T1) Imagem: Keta / GNU Free Documentation License. compr adiabática expansão adiabática compr isotérmica (T2)

19 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot No ciclo de Carnot, as quantidades de calor trocadas e as temperaturas absolutas das fontes são proporcionais, valendo a relação: Observe que para uma máquina ter o rendimento de 100%(=1) seria necessário que a fonte fria tivesse temperatura de 0 k. Entretanto, como a 2ª Lei da Termodinâmica garante que não existe tal rendimento, então é impossível que um sistema físico se encontre no ZERO ABSOLUTO. LEITURAS INTERESSANTES: O CAOS E A ORDEM; OS EXPERIMENTOS DE JOULE E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA; ENTREVISTA COM O CONDE RUMFORD: DA TEORIA DO CALÓRICO AO CALOR COMO UMA FORMA DE MOVIMENTO.

20 EXEMPLOS FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot EXEMPLOS 1. (FGV) Pode-se afirmar que máquina térmica é toda máquina capaz de transformar calor em trabalho. Qual dos dispositivos pode ser considerado uma máquina térmica? a) Motor a gasolina b) Motor elétrico c) Chuveiro elétrico d) Alavanca e) Sarilho 2. (UF-PA) A importância do Ciclo de Carnot reside no fato de: a) ser o ciclo do refrigerador. b) ser o ciclo do motor de explosão. c) ter rendimento de 100% ou próximo. d) determinar o máximo rendimento de uma máquina térmica, entre duas temperaturas dadas. e) ser o ciclo dos motores diesel.

21 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot 3. (UNISA) Certa máquina ideal funciona realizando o ciclo de Carnot. Em cada ciclo o trabalho útil fornecido pela máquina é joules. Sendo as temperaturas das fontes térmicas 227°C e 127°C, o rendimento da referida máquina é de: 44% b) 56% c) 80% d) 10% e) 20% 4. (CESESP-PE) Calcule aproximadamente o rendimento máximo teórico de uma máquina a vapor, cujo fluido entra a 400°C e abandona o cilindro a 105°C. 5. (PUC-RJ) Uma máquina de Carnot é operada entre duas fontes, cujas temperaturas são, respectivamente, 100°C e 0°C. Admitindo-se que a máquina receba da fonte quente uma quantidade de calor igual a 1000 cal por ciclo, pede-se: 1 cal = 4,2 J a) o rendimento térmico da máquina; b) o trabalho realizado pela máquina em cada ciclo (expresso em J); c) a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.

22 APLICAÇÕES DAS MÁQUINAS TÉRMICAS
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot APLICAÇÕES DAS MÁQUINAS TÉRMICAS AO COTIDIANO

23 Eficiência das máquinas frigoríficas
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot REFRIGERADORES O funcionamento dos refrigeradores é baseado no princípio da transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Esse processo não ocorre espontaneamente. É necessária uma fonte de energia externa para realizar um trabalho(compressor), para que essa transferência possa ocorrer. As partes principais de uma geladeira doméstica são: compressor, condensador, válvula descompressora e evaporador. Ele tem a função de aumentar a pressão e a temperatura do gás refrigerante, fazendo-o circular pela tubulação interna do aparelho. Quando o gás passa pelo condensador, perde calor para o meio externo, liquefazendo-se, ou seja, tornando-se líquido. Ao sair do condensador, um estreitamento da tubulação (tubo capilar) provoca uma diminuição da pressão. Assim, o elemento refrigerante, agora líquido e sob baixa pressão, chega à serpentina do evaporador (que tem diâmetro maior que o tubo capilar), se vaporiza e, assim, retira calor da região interna da geladeira. É importante notar que o evaporador está instalado na parte superior (congelador) da geladeira. A partir desse ponto, o ciclo se reinicia e o gás refrigerante é puxado outra vez para o compressor. Fonte: Imagem: SEE-PE Eficiência das máquinas frigoríficas

24 TURBINA A VAPOR FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot TURBINA A VAPOR Imagens: SEE-PE Reatores de água pressurizada (PWR): são os mais frequentes, com 226 em serviço no mundo. Utilizam água a elevada pressão como meio permutador de calor, o moderador também é constituído por água a elevada pressão. O combustível é urânio ligeiramente enriquecido, podendo eventualmente ser usado misturado com plutônio (MOX). Reatores de água fervente (BWR): existem atualmente 93 reatores desse tipo em serviço, sobretudo na Alemanha, Japão e E.U.A. O meio permutador de calor é água que atua também como moderador, esta entra em ebulição e o seu vapor aciona diretamente a turbina. O combustível usado é urânio ligeiramente enriquecido. Fonte:

25 MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Imagem: UtzOnBike / GNU Free Documentation License. Imagem: SEE-PE

26 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot Nos motores de quatro tempos (CICLO OTTO) o pistão, animado de movimento alternativo, recebe energia durante o tempo de combustão, executando as funções necessárias à realização da mesma nos outros três tempos. Um sistema biela/manivela transforma o movimento alternativo em movimento de rotação. O primeiro tempo é o de admissão. Nele o pistão, deslocando-se no sentido de aumentar o volume, aspira ar ou mistura combustível através da válvula de admissão, aberta por um mecanismo  apropriado. O segundo tempo é o de compressão. Atingindo o fim do curso de admissão, na posição chamada de “Ponto Morto Inferior” (PMI), fecha-se a válvula de admissão e inicia-se a compressão dos gases aspirados, a fim de torná-los mais densos. Imagem: SEE-PE Imagem: SEE-PE

27 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot O terceiro tempo é o de combustão/expansão. Na outra extremidade de seu curso alternativo, chamado “Ponto Morto Superior” (PMS), ocorre o início da combustão, que pode iniciar-se espontaneamente (CICLO DIESEL) ou pode ser provocada pelo disparo de uma faísca (motores a gasolina, álcool e gás). A combustão ocorre de maneira diversa, dependendo do tipo de motor; é acompanhada ou seguida pela expansão dos gases queimados, que impulsionam o pistão transmitindo-lhe energia. O quarto tempo é o de escapamento. Atingido novamente o PMI, a abertura da válvula de escape, comandada no instante adequado, permite o escoamento dos gases queimados, igualando a pressão no cilindro com a pressão ambiente. Em seguida, o pistão empurra  a maior parte dos gases que permanecem no cilindro em direção à tubulação de escape, repetindo-se a seguir o tempo de admissão. A cada duas voltas do eixo de manivelas, ocorre apenas um tempo motor. No caso de tratar-se de apenas um cilindro, um volante é indispensável, a fim de que o pistão continue em movimento durante os três tempos auxiliares.  Imagem: SEE-PE Imagem: SEE-PE

28 CICLO DIESEL FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot CICLO DIESEL Imagem: Tosaka / Creative Commons Attribution 3.0 Unported. Imagem: SEE-PE

29 CICLO OTTO FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot CICLO OTTO Imagem: UtzOnBike / GNU Free Documentation License. Imagem: gonfer / GNU Free Documentation License.

30 Feynman, Lectures on Physics, v.2 Addison Wesley.
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot BIBLIOGRAFIA NUSSENZWEIG, Moisés. Curso de Física Básica. vol. 2. 4ª ed.. Edgard Blücher Editora. TIPLER, Paul A. Física. v.2. 4ª ed.Livros Técnicos e Científicos Editora. Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física.v.2. 7ª ed. Livros Técnicos e Científicos Editora. Feynman, Lectures on Physics, v.2 Addison Wesley. GUIMARÃES, Luiz A. Mendes, Física para o 2° grau. Termologia. Ed. Harbra, 1997. FUKUI, Ana. Física: Ensino Médio. 2ª série. 1ª ed. Edições SM, 2009. DOCA, Ricardo Helou. Física. Vol 2. mecânica. Ed. Saraiva, 1ª ed FERRARO, Nicolau Gilberto. Física Básica. Vol. único. 3ª ed. Atual, 2009.

31 FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio
Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot

32 TODOS OS ACESSOS FORAM FEITOS EM 24.05.2012
FÍSICA, 2° Ano do Ensino Médio Transformações cíclicas e o ciclo de Carnot TODOS OS ACESSOS FORAM FEITOS EM

33 Tabela de Imagens n° do slide
direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 3 SEE-PE Acervo SEE-PE 08/11/2012 9a Nicolás Pérez / GNU Free Documentation License. 24/08/2012 9b Panther / GNU Free Documentation License. 9c Luis Rizo / Domínio Público. 10 Autor desconhecido / Domínio Público. 29/08/2012 11a F. A. Brockhaus / Domínio Público. 28/08/2012 11b 12a Emoscopes / GNU Free Documentation License. 12b Meyers Konversationslexikon / Domínio Público. 13 Eclipse.sx / GNU Free Documentation License.

34 Tabela de Imagens n° do slide
direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 14a Materialscientist / Domínio Público. 24/08/2012 14b Sadi Carnot / Domínio Público. 29/08/2012 14c/15 SEE-PE Acervo SEE-PE 08/11/2012 16 Mysid / Domínio Público. 18 Keta / GNU Free Documentation License. 23 24 25a 25b UtzOnBike / GNU Free Documentation License. 26

35 Tabela de Imagens n° do slide
direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 27 SEE-PE Acervo SEE-PE 08/11/2012 28a Tosaka / Creative Commons Attribution 3.0 Unported. 29/08/2012 28b 29a UtzOnBike / GNU Free Documentation License. 29b gonfer / GNU Free Documentation License.