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Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.

Conceitos básicos:

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.

Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico.

Tipos de transformações gasosas

isobárica: ocorre à pressão constante, podendo variar somente o volume e a temperatura;
isotérmica: ocorre à temperatura constante, variando somente as grandezas de pressão e volume;
isométrica, isovolumétrica ou isocórica: ocorre à volume constante, variando somente as grandezas de pressão e temperatura;
adiabática: é a transformação gasosa na qual o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida que o calor trocado é desprezível.

Trabalho realizado por um gás

Considere um gás contido em um cilindro provido de um êmbolo. Ao se expandir, o gás exerce uma força no êmbolo. O trabalho dessa força pode ser calculado.

t = P.DV

t = trabalho realizado pelo gás

P = pressão exercida pelo gás

DV = variação do volume

DV = V_final - V_inicial

O trabalho realizado é numericamente igual a área abaixo do gráfico p x V

Na expansão, V_final> V_inicial : temos t >0
(o gás realiza trabalho)

Na compressão, V_final< V_inicial : temos t < 0
(o gás recebe trabalho do meio exterior)

A área abaixo do gráfico também pode ser um trapézio. Então vamos lembrar como calcular a área de um trapézio:

Área do trapézio:

$A = \frac{B + b}{2} \times h$ (B = base maior; b = base menor; h = altura)

Transformações cíclicas

Uma transformação cíclica ocorre quando o estado inicial do sistema coincide com o estado final. Em um diagrama de pressão por volume a curva que representa essa transformação é fechada, como representado na figura abaixo.

O cálculo da área dentro da curva dará o valor numérico do trabalho realizado no ciclo. Esses ciclos podem ser apresentados nos sentidos horário ou anti-horário.

Sentido horário: Ciclo motor
Sentido anti-horário: Ciclo refrigerador

As transformações cíclicas são extremamente importantes para o nosso cotidiano, pois as máquinas térmicas que utilizamos diariamente, como o motor do automóvel e a geladeira, funcionam desta maneira.

A primeira lei da termodinâmica

Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétrica, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em calor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o trabalho em calor com muita facilidade.

Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situações possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do gás representa a realização de trabalho.

Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma:

A primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.

Segunda Lei da Termodinâmica

O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio a segunda lei da termodinâmica que pode ser enunciada da seguinte forma:

Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o calor em trabalho.

Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência.

Máquinas térmicas

Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.

É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação:

Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo.

Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se soubermos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi demonstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que propôs a seguinte relação:

Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (Paris, 1 de Junho de 1796 — Paris, 24 de Agosto de 1832) foi um físico, matemático e engenheiro francês que deu o primeiro modelo teórico de sucesso sobre as máquinas térmicas, o ciclo de Carnot, e apresentou os fundamentos da segunda lei da termodinâmica.

DESAFIOS

1. UFV-MG- Uma máquina térmica executa o ciclo representado no gráfico seguinte:

Se a máquina executa 10 ciclos por segundo, a potência desenvolvida, em quilowatt, é:

a) 8

b) 8000

c) 80

d) 0,8

e) 800

2. UFV-MG- O gráfico abaixo representa um ciclo termodinâmico reversível, (A → B → C → A), experimentado por um mol de gás ideal. Dado: Constante universal dos gases R = 8,3 J/mol.K

De acordo com o gráfico, analise as afirmativas abaixo e responda de acordo com o código.

I. A variação da energia interna no ciclo completo(A → B → C → A) é nula.

II. Em um ciclo completo entrou 124,5 J de calor no sistema.

III. A temperatura do sistema no ponto A é 300K.

a) I e III são corretas;

b) I e II são corretas;

c) II e III são corretas;

d) Apenas I é correta.

3. PUC-MG- Uma amostra de gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama pressão x volume, ilustrado a seguir.

Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apontando a opção correta:

a) A transformação AB é isobárica e a transformação BC, isométrica.

b) O trabalho feito pelo gás no ciclo ABCA é positivo.

c) Na etapa AB, o gás sofreu compressão, e na etapa BC, sofreu expansão.

d) O trabalho realizado sobre o gás na etapa CA foi de 8 J.

e) A transformação CA é isotérmica.

4. PUC-RS- Uma máquina térmica, ao realizar um ciclo, retira 2 kcal de uma “fonte quente” e libera 1,8 kcal para uma “fonte fria”. O rendimento dessa máquina é:

a) 0,2%

b) 1,0%

c) 2,0%

d) 10%

e) 20%

5. UFV-MG- Um folheto explicativo sobre uma máquina térmica afirma que ela, ao receber 1000 cal de fonte quente, realiza 4186 J de trabalho. Sabendo-se que 1 cal equivale a 4,186 J e com base nos dados fornecidos pelo folheto, você pode afirmar que esta máquina:

a) viola a 1ª lei da termodinâmica.

b) possui um rendimento nulo.

c) possui um rendimento de 10%.

d) viola a 2ª lei da termodinâmica.

e) funciona de acordo com o ciclo de Carnot

6. Quando são colocados 12 moles de um gás em um recipiente com êmbolo que mantém a pressão igual a da atmosfera, inicialmente ocupando 2m³. Ao empurrar-se o êmbolo, o volume ocupado passa a ser 1m³. Considerando a pressão atmosférica igual a 100000N/m², qual é o trabalho realizado sob o gás?

a) -100000 J

b) -1000 J

c) - 100000 N

d) - 500 J

e) ndr

7. Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo:

Qual o trabalho realizado por este gás?

a) 900000 J

b) 800000 J

c) 9000 J

d) 100000 J

e) ndr

8. O gráfico abaixo ilustra uma transformação de 100 moles de um gás ideal monoatômico que recebe do meio exterior uma quantidade de calor 1800000 J. Dado R = 8,32 J/mol.K.

O trabalho realizado pelo gás, a variação da energia interna do gás e a temperatura do gás no estado A são , respectivamente:

a) 450000 J, 1350000 J e 361 K

b) 361 K, 20000 J e 50000 J

c) 450 J, 135 J e 361 J

d) 450000 J, 1350000 J e 273 K

e) ndr

9. Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho?

a) 2220 J

b) 2200 J

c) 773 J

d) 7773 J

e) ndr

10. Qual o rendimento da máquina térmica do exercício anterior?

a) 75 %

b) 74 %

c) 100 %

d) 10 %

e) ndr

11. Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de sua fonte quente igual a 330°C e fonte fria à 10°C. Qual é o rendimento dessa máquina?

Termodinâmica

Conceitos básicos: Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.

Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico.

Tipos de transformações gasosas

isobárica: ocorre à pressão constante, podendo variar somente o volume e a temperatura;

isotérmica: ocorre à temperatura constante, variando somente as grandezas de pressão e volume;

isométrica, isovolumétrica ou isocórica: ocorre à volume constante, variando somente as grandezas de pressão e temperatura;

adiabática: é a transformação gasosa na qual o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida que o calor trocado é desprezível.

Trabalho realizado por um gás

Considere um gás contido em um cilindro provido de um êmbolo. Ao se expandir, o gás exerce uma força no êmbolo. O trabalho dessa força pode ser calculado.

t = P.DV

t = trabalho realizado pelo gás

P = pressão exercida pelo gás

DV = variação do volume

DV = Vfinal - Vinicial

O trabalho realizado é numericamente igual a área abaixo do gráfico p x V

Na expansão, Vfinal > Vinicial : temos t >0 (o gás realiza trabalho)

Na compressão, Vfinal < Vinicial : temos t < 0 (o gás recebe trabalho do meio exterior)

A área abaixo do gráfico também pode ser um trapézio. Então vamos lembrar como calcular a área de um trapézio:

Área do trapézio:

(B = base maior; b = base menor; h = altura)

Transformações cíclicas

Uma transformação cíclica ocorre quando o estado inicial do sistema coincide com o estado final. Em um diagrama de pressão por volume a curva que representa essa transformação é fechada, como representado na figura abaixo.

O cálculo da área dentro da curva dará o valor numérico do trabalho realizado no ciclo. Esses ciclos podem ser apresentados nos sentidos horário ou anti-horário.

Sentido horário: Ciclo motor

Sentido anti-horário: Ciclo refrigerador

As transformações cíclicas são extremamente importantes para o nosso cotidiano, pois as máquinas térmicas que utilizamos diariamente, como o motor do automóvel e a geladeira, funcionam desta maneira.

A primeira lei da termodinâmica

Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétrica, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em calor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o trabalho em calor com muita facilidade.

Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situações possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do gás representa a realização de trabalho.

Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma:

A primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.

Segunda Lei da Termodinâmica

O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio a segunda lei da termodinâmica que pode ser enunciada da seguinte forma:

Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o calor em trabalho.

Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência.

Máquinas térmicas

Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.

É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação:

Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo.

Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se soubermos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi demonstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que propôs a seguinte relação:

Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (Paris, 1 de Junho de 1796 — Paris, 24 de Agosto de 1832) foi um físico, matemático e engenheiro francês que deu o primeiro modelo teórico de sucesso sobre as máquinas térmicas, o ciclo de Carnot, e apresentou os fundamentos da segunda lei da termodinâmica.

DESAFIOS

1. UFV-MG- Uma máquina térmica executa o ciclo representado no gráfico seguinte:

Se a máquina executa 10 ciclos por segundo, a potên­cia desenvolvida, em quilowatt, é:

a) 8

b) 8000

c) 80

d) 0,8

e) 800

2. UFV-MG- O gráfico abaixo representa um ciclo termodinâmico reversível, (A → B → C → A), experimentado por um mol de gás ideal. Dado: Constante universal dos gases R = 8,3 J/mol.K

De acordo com o gráfico, analise as afirmativas abaixo e responda de acordo com o código.

I. A variação da energia interna no ciclo completo(A → B → C → A) é nula.

II. Em um ciclo completo entrou 124,5 J de calor no sistema.

III. A temperatura do sistema no ponto A é 300K.

a) I e III são corretas;

b) I e II são corretas;

c) II e III são corretas;

d) Apenas I é correta.

3. PUC-MG- Uma amostra de gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama pressão x volume, ilustrado a seguir.

Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apon­tando a opção correta:

a) A transformação AB é isobárica e a transformação BC, isométrica.

b) O trabalho feito pelo gás no ciclo ABCA é positivo.

c) Na etapa AB, o gás sofreu compressão, e na etapa BC, sofreu expansão.

d) O trabalho realizado sobre o gás na etapa CA foi de 8 J.

e) A transformação CA é isotérmica.

4. PUC-RS- Uma máquina térmica, ao realizar um ciclo, retira 2 kcal de uma “fonte quente” e libera 1,8 kcal para uma “fonte fria”. O rendimento dessa máquina é:

a) 0,2%

b) 1,0%

c) 2,0%

d) 10%

e) 20%

5. UFV-MG- Um folheto explicativo sobre uma máquina térmica afirma que ela, ao receber 1000 cal de fonte quente, realiza 4186 J de trabalho. Sabendo-se que 1 cal equivale a 4,186 J e com base nos dados fornecidos pelo folheto, você pode afirmar que esta máquina:

a) viola a 1ª lei da termodinâmica.

b) possui um rendimento nulo.

c) possui um rendimento de 10%.

d) viola a 2ª lei da termodinâmica.

e) funciona de acordo com o ciclo de Carnot

Conceitos básicos:

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.

DV = V_final - V_inicial

Na expansão, V_final> V_inicial : temos t >0
(o gás realiza trabalho)

Na compressão, V_final< V_inicial : temos t < 0
(o gás recebe trabalho do meio exterior)

$A = \frac{B + b}{2} \times h$ (B = base maior; b = base menor; h = altura)

Se a máquina executa 10 ciclos por segundo, a potência desenvolvida, em quilowatt, é:

Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apontando a opção correta: