1ª e 2ª Lei Da Termodinâmica

1ª LEI DA TERMODINÂMICA

A energia interna pode variar se entrar ou sair energia através do sistema como W, Q e radiação.

Estes 3 parâmetros não estão nos sistemas, não são propriedades do sistema, passam de um sistema para outro (em trânsito). A energia interna é propriedade de um sistema.

Num sistema isolado : ΔE_int= 0

Em sistemas não isolados :  ΔE_int= W + Q + R = ou ≠ 0     W + Q + R são equivalentes porque são grandezas que têm a ver com energia (J).

Um exercício:

Água aquecida numa chaleira. Recebe energia do disco eléctrico, emite energia por radiação. Não se realiza trabalho.

 ΔE_int=  Q – R                       Q – entra ; R – sai

Comparar com os movimentos bancários (saldo energia interna, os 3 parâmetros. Dinheiro, cheques ou transferência bancária).

Radiação

Quando se faz incidir luz proveniente de uma fonte de laser dentro de um cilindro de material isolador, toda a luz é absorvida pelas moléculas de gás  que ficam com maior E_c , o que se traduz por um aumento de energia interna e aumento de temperatura. Um ex: muito comum é o aquecimento em forno microondas.

Trabalho

Trabalho útil e trabalho dissipativo

Trabalho útil é o trabalho que se aproveita

trabalho dissipativo transforma-se em calor

Foi Joule (lei de Joule), para circuitos eléctricos.

Para aquecer um líquido tanto se podia utilizar calor como trabalho.

Dentro de um vaso calorimétrico (paredes isoladoras), contendo água, monta-se um conjunto de pás que giram juntamente com um eixo, quando um corpo cai preso a um fio.  A água vai aquecendo. O ΔEint  é igual ao W dissipativo. Exp. que permitiu fazer a equivalência entre calor e trabalho. (Aumento de Ei).

Outro tipo de W dissipativo – W eléctrico responsável pelo aquecimento de uma resistência eléctrica (efeito Joule).

Calor

Fluxo de calor da vizinhança para o sistema ou vice-versa.

Capacidade térmica mássica e calor de transformação mássico

Capacidade térmica mássica (c)  Unidade SI – JKg^-1 ºC^-1

Quando se aquece um objecto a pressão constante Q é directamente proporcional à variação de temperatura.            Q = mcΔt

M – massa do corpo; c - Capacidade térmica mássica; Δt - variação de temperatura

Para a água c = 4,18Jg^-1 ºC^-1 ou c = 4,18 x10³ J Kg^-1 ºC^-1

Esta energia também é conhecida como uma caloria (1 caloria = 4,18 J).

2ª LEI DA TERMODINÂMICA

No Universo , a quantidade de energia útil nunca aumenta, ou a quantidade de entropia vai aumentando.

As máquinas nunca têm um rendimento de 100%. Devido ao atrito nas peças, que provoca energia dissipada (ou degradada), pelo calor, pelo desgaste, deformação, vai alterar a sua energia interna. Perde a capacidade de realização de trabalho.

Energia útil = energia fornecida – energia dissipada

Apesar de tudo, há conservação da energia (1ª lei da termodinâmica).

A quantidade de energia útil irá diminuir tanto na Natureza como no funcionamento das máquinas.

Evolução dos fenómenos

Há uma evolução natural dos fenómenos. Dão-se num sentido de modo espontâneo, são irreversíveis. Há aumento de energia interna.

Também há processos reversíveis mas é necessário que não haja atrito, nem transferência de energia como calor, nem diferença de pressão e temperatura.

Mas não é muito fácil. Ex: comprimir uma seringa, se largarmos, volta à posição inicial. O trajecto do pêndulo, mas há sempre um pouco de atrito – E_pg → E_c e vice-versa.

Ex: para içar uma pedra, é preciso uma máquina (não é espontâneo), mas o contrário já é natural. Um corpo quente colocado num ambiente mais frio arrefece e não o contrário. Durante a queda de uma bola a E_pg passa a E_c. quando atinge o solo, a Ec macroscópica passa a energia interna. A situação inversa nunca se dá (subida da bola quando se larga uma bola), uma máquina não pode converter em W todo o calor que recebe de uma fonte.

O sentido natural das mudanças na Natureza é o que origina uma diminuição da qualidade da energia.

Na evolução do Universo quer ocorra espontaneamente ou com recurso a máquinas, verifica-se uma contínua degradação da energia (diminuição da energia disponível para realização de trabalho).

ENTROPIA (S)

Grandeza introduzida por R. Clausius e que determina o sentido em que um processo natural evolui. ΔS – sua variação. Esse sentido é o da perda da energia para as vizinhanças sob a forma de calor/radiação (degradação).

À medida que a entropia aumenta, vai diminuindo a energia útil disponível.

E vai aquecendo, por causa da energia degradada. Só não aumento de entropia quando o corpo está em equilíbrio térmico com as suas vizinhanças. Só alteração do estado do sistema quando há diferença de temperatura entre o sistema e as suas vizinhanças. A tendência é o equilíbrio. Gotas coloridas em água, vão fazer com que a água passado pouco tempo fique homogénea. O contrário não se verifica.

Entropia - Capacidade de mudança, transformação.

Pode-se inverter o processo, utilizando máquinas, mas há à mesma degradação de energia.

Em qualquer processo natural irreversível, um sistema evolui no sentido em que há aumento de entropia do sistema e sua vizinhança.

É uma medida da desordem do sistema.

ΔS = 0 reversíveis

ΔS > 0 irreversíveis

ΔS < 0 impossíveis

. Se o sistema recebe calor, aumenta a Ec das partículas, maior será a desordem do sistema, maior será a entropia.

. Se a um sistema retirarmos calor, a sua temperatura diminui. A entropia da vizinhança aumenta para compensar.

. Se a temperatura não variar, a entropia mantém-se.

MÁQUINAS TÉRMICAS

É impossível converter integralmente o calor libertado na queima dos combustíveis em trabalho necessário para movimentar as pás de uma turbina. Há degradação de energia.

A energia degradada é transferida para um “reservatório” que se encontra a temperatura inferior à temperatura da caldeira. Designa-se por fonte fria.

Só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente através da realização de trabalho.

Ex: frigoríficos, bombas de calor, etc.

Um exemplo de máquina térmica é a locomotiva a vapor (James Watt)

O combustível é queimado na fornalha. O calor libertado durante a combustão aquece a água contida numa caldeira até à ebulição. O vapor de água faz movimentar um êmbolo que está associado às rodas da locomotiva, movimentando-as. Os gases saem pela chaminé.

A energia transferida à máquina como calor não é integralmente utilizada para realizar trabalho mecânico. Parte desta energia é libertada como calor na chaminé – energia dissipada.         η= 4%

A realização de trabalho faz-se a partir da transferência de calor entre 2 fontes.

Quente – câmara de combustão; Fria – ambiente

Rendimento de processos termodinâmicos

Não é possível construir máquinas de movimento perpétuo, ou seja, máquinas que realizem trabalho sem consumir energia.

Sistema termodinâmico em interacção com 2 fontes térmicas

Rendimento (máquina térmica) =               Wrealizado                ou  n=   W    

                                                 calorfornecidopelafontequente              Q1

sendo W = Q₁ – Q₂

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