1 e 2 a Leis da Termodinamica Termodinmica

1ª e 2 a Leis da Termodinamica

Termodinâmica é a ciência que trata • do calor e do trabalho • das características dos sistemas e • das propriedades dos fluidos termodinâmicos

Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica James Joule 1818 - 1889 Sadi Carnot 1796 - 1832 Emile Claupeyron 1799 - 1864 Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907 Rudolf Clausius 1822 - 1888

Contribuição de James Joule. 1839 Experimentos: trabalho mecânico, eletricidade e calor. James P. Joule (1818 -1889) Nasceu em Salford - Inglaterra 1840 Efeito Joule : Pot = RI 2 1843 Equivalente mecânico do calor ( 1 cal = 4, 18 J) 1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo Lei da Conservação de Energia da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo. As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina: a Termodinâmica 1 a Lei da Termodinâmica

Para entender melhor a 1 a Lei de Termodinâmica é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos “percorridos” pelo calor. . .

Sistema Termodinâmico Certa massa delimitada por uma fronteira. Sistema Aberto Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Sistema fechado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

Transformação Variáveis de estado P 2 V 2 T 2 U 2 P 1 V 1 T 1 U 1 Estado 1 Transformação Estado 2

Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação. P 1 V 1 T 1 U 1 Processos P 2 V 2 T 2 U 2 Durante a transformação Isotérmico temperatura constante Isobárico Pressão constante Isovolumétrico volume constante Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Transformações 1 a Lei da Termodinâmica Sistema Fechado W > 0 → sistema realiza trabalho W < 0 → sistema sofre trabalho Q > 0 → sistema recebe calor Q < 0 → sistema perde calor ΔU = U 2 – U 1 Variação Energia Interna 1 a Lei Q = W + ΔU

Variação da Energia Interna Q = W + ∆U Gás Expansão nula W = 0 Δ U = Q ΔT = 0 → ΔU = 0 ΔT > 0 → ΔU > 0 ΔT < 0 → ΔU < 0 ΔU depende apenas de ΔT. Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo. A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

O trabalho que atravessa a fronteira depende do processo? ∆U = Q - W W = F. d. W F = Pr. S W = Pr. S. d ∆V = V 2 -V 1 W = Pr. ΔV depende de como a pressão e volume mudam no processo.

Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 P 1 Como as variáveis de estado se relacionam? 1 T 1 V 1 Equação de estado no de moles P 1 V 1 = n. RT 1 Constante dos gases R = 8, 31 J/mol. K = 2 cal/mol. K

Processo isovolumétrico Transformação a volume constante Q = m CV (T 2 -T 1) Calor específico a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica Transformação de 1 → 2 Q = W + U W = 0 U = Q ∆V = 0 Volume invariável Isovolumétrica

Processo isobárico Transformação a pressão constante calor específico a pressão constante Q = + m CP (TB - TA) W = Po [VB-VA] 1ª Lei da Termodinâmica Q = W + U

Processo Isotérmico Transformação à temperatura constante Êmbolo movimentado lentamente ∆U = 0 → ∆T=0 Q = W + 0 Q = W

Processo adiabático Transformação sem troca de calor Movimento rápido do êmbolo. Q = 0 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Primeira Lei da Termodinâmica Q = W + ∆U Q = 0 → ∆U= - W W = - ∆U Compressão adiabática W Área sob o grafico Trabalho transforma-se em calor

Processos cíclicos 1. - ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial 2. - Qciclo = Q 3. - Wciclo = W = área 12341 1 a Lei da Termodinâmica Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo Qciclo = Wciclo > 0 → Qciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama P V : horário. O sistema recebe Q e entrega W

Máquinas Térmicas “Trabalham” em ciclos.

A máquina de Denis Papin 1647 - 1712 Trabalho Para onde a máquina rejeita calor QCold Fonte quente Fonte fria De onde a máquina retira calor QHot. Ciclo

Eficiência térmica: 1ªLei Em cada ciclo ∆U = 0 W = Q 1 -Q 2 Eficiência = W/Q 1= (Q 1 -Q 2)/Q 1 ε = [1 – Q 2/Q 1]

Ciclo Refrigerador 12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ? ε = [1 – Q 2/Q 1] Q 1 → 0 ε → 1 É possível construir esta máquina? ε → 100%

A máquina ideal de Carnot Ciclo reversível A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: ∆U=0 → W = Q 1 - Q 2 ε = W/Q 1 = [Q 1 -Q 2]/Q 1 = 1 - Q 2/Q 1 = T 2/T 1 BC e DA = adiabáticas ε = (1 - Q 2/Q 1) = (1 - T 2/T 1) ε = 1 - T 2/T 1 Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T 1 e T 2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"