Fundamentos da termodinâmica

Apresentação em tema: "Fundamentos da termodinâmica"— Transcrição da apresentação:

1 Fundamentos da termodinâmica
Transformações termodinâmicas e 1ª.Lei da termodinâmica

2 Transformações termodinâmicas
São transformações que envolvem sistemas termodinâmicos nos quais são estudados as variáveis V, T, P e Q e as suas consequências. Para tal é necessário saber o que é um sistema termodinâmico?

3 Sistema termodinâmico
Consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado MEIO ou VIZINHANÇA. O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma FRONTEIRA ou SUPERFÍCIE DE CONTROLE a qual pode ser móvel, fixa, real ou imaginária.

4 Sistemas termodinâmicos
Sistema Fechado - É o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema. Volume de Controle - Ao contrário do sistema fechado, é o sistema termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de controle que definem o sistema. Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado quando não existe qualquer interação entre o sistema termodinâmico e a sua vizinhança. (ou seja, através das fronteiras não ocorre fluxo de calor, massa, trabalho etc.). ?

5 Fig É um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo de massa através das fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor. Fig Por sua vez, constitui um volume de controle, pois temos fluxo de massa atravessando a superfície de controle do sistema.

6 Propriedades termodinâmicas e sua classificação:
Propriedades Termodinâmicas - As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas. Propriedade Extensiva - Chamamos de propriedade extensiva àquela que depende do tamanho (extensão) do sistema e/ou volume de controle. Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta é uma variável extensiva. Por exemplo: Volume, Massa, etc. Propriedade Intensiva - Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: Temperatura, Pressão etc. Propriedade Específica - Uma propriedade específica de uma dada substância é obtida dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Exemplo de propriedade específica: volume específico, energia interna específica

7 Mudança de Estado de um Sistema Termodinâmico
Quando qualquer propriedade do sistema é alterada, por exemplo; Pressão, Temperatura, Massa, Volume, etc. dizemos que houve uma mudança de estado no sistema termodinâmico. Processo - O caminho definido pela sucessão de estados através dos quais o sistema passa é chamado processo.

8 Exemplos de processos termodinâmicos
Processo Isobárico (pressão constante) Processo Isotérmico (temperatura constante) Processo Isocórico (isométrico) (volume constante) Processo Isoentálpico (entalpia constante) Processo Isoentrópico (entropia constante) Processo Adiabático (sem transferência de calor)

9 Ciclo termodinâmico Ciclo Termodinâmico - Quando um sistema (substância), em um dado estado inicial, passa por certo número de mudança de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo termodinâmico, ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas próprias do sistema seja nula. Um fato característico dos ciclos termodinâmicos é que a lei da conservação de energia dita que: a soma de calor e trabalho recebidos pelo sistema deve ser igual à soma de calor e trabalho realizados pelo sistema (vamos estudar esta propriedade em breve!).

10 ciclo ideal de bomba de calor(flechas no sentido horário).

11 Propriedades de substância pura
Substância pura é aquela que tem composição química invariável e homogênea. Pode existir em mais de uma fase, mas a sua composição química é a mesma em todas as fases. Assim água líquida e vapor d'água ou uma mistura de gelo e água líquida são todas substância puras, pois cada fase tem a mesma composição química. Por outro lado uma mistura de ar líquido e gasoso não é uma substância pura, pois a composição química da fase líquida é diferente daquela da fase gasosa.

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13 Primeira Lei da termodinâmica
O Primeiro princípio da termodinâmica é uma aplicação do princípio da conservação da energia; ou seja, se um sistema gasoso recebe calor do meio externo, essa energia pode ser armazenada no sistema (aumentando a sua energia interna), ou pode ser utilizada na realização de trabalho. O primeiro princípio estabelece o balanço energético entre a quantidade de calor (Q) trocada por um sistema termodinâmico com o meio externo, o trabalho mecânico (W) realizado pelo sistema ou sobre o sistema e a variação de sua energia interna. Assim para um processo que envolve modificações finitas do sistema com alterações diferenciais, podemos equacionar como a 1a. Lei da termodinâmica: du=dW+dQ

14 Vamos lembrar... dW=F.dl TRABALHO
Consideremos o aquecimento de um gás contido em um recipiente fechado por um êmbolo de massa m que pode movimentar-se sem atrito. O gás, recebendo calor da fonte térmica, consegue empurrar o êmbolo (pistão) realizando trabalho através de uma força F. Sempre que uma força atua ao longo de uma distância, há um trabalho W realizado. A quantidade de trabalho realizado é definida pela equação. dW=F.dl

15 Vamos lembrar... TRABALHO
Na termodinâmica da engenharia, um importante tipo de trabalho é associado à modificação de volume de um fluido. Consideremos a compressão ou a expansão de um fluido num cilindro mediante o movimento de um pistão é igual ao produto da área do pistão pela pressão do fluido. O deslocamento do pistão é igual à variação de volume do fluido dividida pela área do pistão, então a equação (1) fica:

16 Vamos lembrar... Energia Interna
A energia total de um sistema, na termodinâmica, é a energia interna, U. Esta energia é a soma das energias cinéticas e potenciais das moléculas que compõem o sistema. A variação de energia interna quando o sistema passa do estado inicial i, com energia interna Ui, para o estado final f, com energia interna Uf, é simbolizada por U e se tem: A energia interna é uma função de estado, pois o seu valor depende exclusivamente do estado em que está o sistema e não depende da forma pela qual o sistema chegou a este estado. Em outras palavras, é uma função das propriedades que identificam o estado em que está o sistema. A alteração de qualquer variável de estado provoca modificação da energia interna. A energia interna é uma propriedade extensiva.

17 Energia interna Temos que:
Se a temperatura aumenta, a energia interna aumenta, e U > 0; Se a temperatura diminui, a energia interna diminui, e U < 0; Se a temperatura é constante, a energia interna é constante, e U=0.

18 Então podemos postular a 1ª. Lei da termodinâmica

19 SISTEMA ISOTÉRMICO No sistema isotérmico a temperatura é constante, isto é, a energia interna inicial Ui, e a energia interna final Uf são iguais, logo:

20 SISTEMA ADIABÁTICO No sistema adiabático a quantidade de calor inicial Qi, e a quantidade de calor final Qf são iguais (a variação de quantidade de calor é igual a zero), então podemos escrever

21 SISTEMA ISOVOLUMÉTRICO
No sistema isovolumétrico o volume final Vf e o volume inicial Vi são iguais, então a quantidade de trabalho é igual a zero, então podemos escrever:

22 Exercícios 1) Um motor elétrico produz 15kJ de energia, na forma de trabalho mecânico, e perde 2kJ de calor para o ambiente. Qual é a variação da energia interna deste motor. 2) Uma fonte térmica fornece 1675J a um sistema e este realiza, sobre o meio externo, um trabalho de 1260J. Qual é a variação de energia interna do sistema? 3) Uma massa gasosa ocupa um volume de 0,5m3 sob pressão de 600Pa. Recebendo 1500J de calor, o gás expande, sob pressão constante, até atingir o volume de 1,5m3. Determine o trabalho realizado e a variação de energia interna do gás. 4) Um sistema gasoso passa de um estado A para um outro estado B. Nesse processo, ele troca calor e trabalho com a sua vizinhança. Calcule a variação de energia interna do sistema nos seguintes casos: O sistema absorve 4187J de calor e realiza um trabalho de 2000J. O sistema absorve 4187J de calor e um trabalho de 2000J é realizado sobre ele. O sistema cede 4187J de calor e um trabalho de 2000J é realizado sobre ele. 5) Uma amostra de 2,00mol de gás perfeito, com Cv constante de 3R/2, inicialmente a uma pressão de Pa e temperatura de 300K, é aquecida reversivelmente, até 400K,a volume constante. Calcular a pressão final, U, Q e W.