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Professor
Elder Latosinski
As Leis da
Termodinâmica
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE
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Elder Latosinski
Um pouco de história
A termodinâmica nasceu da
relação entre calor e trabalho.
Antes do uso do calor, o homem gerava
energia através de esforço muscular ou
animal. Uma das formas mais eficientes
de geração de energia eram as rodas
d’água.
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Elder Latosinski
Um pouco de história
Engenho de cana movido a tração animal
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Elder Latosinski
Um pouco de história
Exemplo de uma roda d’água
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Elder Latosinski
Um pouco de história
Eolípila de Herão
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Elder Latosinski
Um pouco de história
Usinas nucleares: sistemas termodinâmicos
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Conceitos Fundamentais
O que é um sistema?
É um corpo ou um conjunto de corpos que
iremos estudar.
E o resto?
O que não pertence ao sistema é chamado
de vizinhança.
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Elder Latosinski
Energia Interna (U)
A energia interna é uma função inerente
ao estado do sistema e representa a
somatória das seguintes energias:
*energia cinética de translação e rotação das
moléculas;
*energia de vibração das moléculas;
*energia potencial de interação molecular;
*energia dos elétrons;
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Energia Interna (U)
Gases monoatômicos
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Calor (Q)
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Trabalho (W)
VpW .
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Trabalho (W)
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Considere um sistema gasoso evoluindo
de um estado inicial (i) para um estado
final (f), segundo uma transformação
gasosa qualquer. A diferença entre o calor
Q trocado entre o sistema gasoso e sua
vizinhança e o trabalho W realizado é igual
à variação U em sua energia.
WQU
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Em outras palavras, uma dada quantidade
de energia não pode ser criada nem
destruída, mas apenas transformada de
uma forma em outra.
ou
A energia total do Universo é constante.
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Convenção de sinais
O sistema absorve calor Q é positivo
O sistema cede calor Q é negativo
Trabalho realizado pelo gás
W é positivo
Trabalho realizado sobre o gás
W é negativo
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Exemplo
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Exemplo
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Aplicações da 1ª Lei
Isotérmica
Não há variação da energia interna. O calor
absorvido é utilizado na realização de trabalho.
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Aplicações da 1ª Lei
Isovolumétrica
Como não há expansão, não houve realização
de trabalho.
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Isobárica
Como há expansão, houve realização de
trabalho e variação da energia interna.
Aplicações da 1ª Lei
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Adiabática
O gás realiza trabalho mas não recebe e nem
libera calor.
Aplicações da 1ª Lei
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Compressão Adiabática:
A temperatura e a pressão aumentam;
Expansão Adiabática:
A temperatura e a pressão diminuem;
Observações
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Poque uma bomba de encher pneus aquece
ao ser usada?
Enchendo-se o pneu
de uma bicicleta com
uma bomba
convencional
apropriada para esse
fim, o corpo da bomba
se aquece,
evidenciando que o
trabalho realizado pelo
operador provoca
aumento na energia
interna do ar contido
no dispositivo.
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Porque ao tocar na pele o jato de um
desedorante aerosol é “frio”?
Apertando-se a válvula
do desodorante
aerossol, verifica-se
que a temperatura do
jato que sai dele é
mais baixa do que a da
lata.
Isso ocorre pois há
uma expansão
adiabática do material,
assim ele realiza
trabalho e há uma
diminuição de sua
energia interna.
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Diagramas Termodinâmicos
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Diagramas Termodinâmicos
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Diagramas Termodinâmicos
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TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
É o conjunto em que, após seu término, a
massa gasosa encontra-se exatamente no
estado em que se encontrava inicialmente.
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TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
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1ª Etapa – Transformação isobárica (AB)
A água se vaporiza à pressão constante,
aumentando seu volume
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2ª Etapa – Expansão adiabática(BC)
O vapor se expande realizando trabalho. Como
as hélices da turbina e o vapor estão à mesma
temperatura e a transformação ocorre
rapidamente, não há troca de calor.
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3ª Etapa – Transformação isobárica (CD)
O vapor passa para o estado líquido, trocando
calor com o meio e diminuindo o volume à
pressão constante.
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4ª Etapa – Transformação isovolumétrica (CD)
A bomba, ao comprimir a água, aumenta sua
pressão até que esta se iguala à pressão do
interior da caldeira. Pelo fato da água ser
praticamente incompressível, podemos
considerar este processo isométrico.
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Num ciclo, quando a pressão não for constante, o
trabalho será dado pela a área do gráfico. No
ciclo horário o trabalho é positivo e no ciclo anti-
horário o trabalho é negativo.
CICLO COMPLETO
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Elder Latosinski
MÁQUINAS TÉRMICAS
convertem calor em trabalho mecânico
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Elder Latosinski
Máquina térmica do começo do século XX
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Elder Latosinski
2ª Lei da Termodinâmica
Enunciado de Kelvin – Planck:
É impossível construir uma máquina
operando em ciclos, cujo único efeito
seja retirar calor da fonte quente e
convertê-lo integralmente em trabalho.
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Como um barco a vapor consegue navegar?
Barco a vapor é uma embarcação propelida por um motor a
vapor que aciona rodas de água (um conjunto de pás).
O barco apresentado em aula se move a partir da
transformação de energia térmica em mecânica.
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Elder Latosinski
Motor a combustão
4 tempos
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Elder Latosinski
1) ADMISSÃO
A válvula de
admissão se abre, a
mistura de
ar+combustível
entra no cilindro
enquanto o pistão
(ou êmbolo) desce.
2) COMPRESSÃO
A válvula de admissão se fecha,
o pistão sobe, comprimindo no
alto do cilindro a mistura
ar+combustível. Como essa é
uma compressão muito rápida,
não há tempo de haver troca de
calor entre a mistura combustível
e o ambiente, isto é, trata-se de
uma compressão adiabática e
por causa disso, a temperatura
da mistura aumenta.
3) EXPLOSÃO
A vela de ignição dispara uma
centelha elétrica provocando a
combustão rápida (explosão) da
mistura ar+combustível. Essa
explosão gera calor e a
conseqüente expansão dos
gases dentro do cilindro,
empurrando para baixo o
pistão. Note que, dos quatro
tempos, esse é o tempo em que
há realização de trabalho feito
pelo gás.
4) DESCARGA
(OU EXAUSTÃO)
A válvula de
descarga se abre
enquanto o pistão
sobe empurrando
o gás queimado
(fumaça) para
fora do cilindro.
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Elder Latosinski
Ciclo de Carnot
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Elder Latosinski
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Referências
- HEWITT, Paul G. FÍSICA Conceitual. 9ª edição. Porto Alegre:
Bookman, 2002.
- MÁXIMO, Antônio. ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física 2. São
Paulo: Scipione, 2007.
- GASPAR, Alberto. Física – Eletromagnetismo e Física Moderna 2.
São Paulo: Ática, 2003.
- http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/index.html