Termodinâmica é a ciência

que trata

• do calor e do trabalho

• das características dos sistemas e

• das propriedades dos fluidos termodinâmicos

Termodinâmica

1. Sistema - porção definida do espaço.

Ex. uma solução, uma célula, um cilindro

de gás, um corpo...

Termodinâmica

2. Entorno - tudo que envolve o sistema.

Não tem limite. É o ambiente

Os sistemas podem variar de volume,

temperatura e energia.

Abertos/fechados.

Termodinâmica

Os sistemas possuem dois tipos de

energia:

Energia Interna...

Potencial – é a composição química

Cinética – é o conteúdo de calor

Termodinâmica

Os sistemas possuem dois tipos de

energia:

Energia Externa...

Potencial – é dependente da altura dosistema no Campo G.

Cinética – é dependente da velocidade dedeslocamento do sistema no espaço.

Termodinâmica

Se o sistema é uma bomba, tanto faz ela

estar no alto (energia potencial

externa), como ser lançada (energia cinética

externa), que sua energia interna é a mesma

até o momento da explosão (a potencial, pelo

menos).

Termodinâmica

Ep + Ec

INT

Ec EXT

Distância

Alt

ura

Ep EXT

m

Termodinâmica

Se um macaco come uma banana, no

alto de uma árvore, sobre o solo, correndo ou

parado, ele só aproveita a energia interna da

banana.

Se ele come a banana com casca faz

alguma diferença?

Termodinâmica

Mais Energia

Menos Energia

Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.

Termodinâmica

A Energia Interna de um sistema podeou não depender de Massa do sistema, pelomenos macroscopicamente. Comisso, classifica-se

Propriedades extensivas

Propriedade intensivas

Termodinâmica

Propriedade intensivas(independem da massa).

1. pressão2. temperatura3. voltagem4. viscosidade

Termodinâmica

Propriedade extensiva(dependem da massa)

1. volume2. quantidade de matéria3. densidade4. quantidade de energia

Termodinâmica

1ª Lei:Descreve a conservação da energia.

Energia não pode ser criada oudestruída, mas somente convertida de umaforma em outra.

Prof º Ms. Clóvis PiáuHENEINE, I.F. Biofísica Básica, 2005.

Termodinâmica

1ª Lei:Toda transformação de energia se

acompanha de energia térmica.

Qualquer forma de energia outrabalho, pode ser totalmente convertida emcalor.

Termodinâmica

1ª Lei:

A energia do Universo é constante.

O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA

Lei da conservação da energia: a energia em um sistema

pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e

trabalho.

•A energia pode ser interconvertida de uma forma para

outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto

é, sistema mais meio externo, conserva-se.

A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É

CONSTANTE

wqU

Sadi Carnot

1796 - 1832

James Joule

1818 - 1889

Rudolf Clausius

1822 - 1888Wiliam Thomson

Lord Kelvin

1824 - 1907

Emile Claupeyron

1799 - 1864

Alguns ilustres pesquisadores

que construiram a termodinâmica

Nasceu em

Salford - Inglaterra

James P. Joule(1818-1889)

Contribuição de James Joule.

1839 Experimentos:

trabalho mecânico, eletricidade e calor.

1840 Efeito Joule : Pot = RI2

1843 Equivalente mecânico do calor

( 1 cal = 4,18 J)

1852 Efeito Joule-Thomson : decrescimo

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

Lei da

Conservação

de

Energia

1a Lei

da

Termodinâmica

Para entender melhor a

1a Lei de Termodinâmica

é preciso compreender as características dos

sistemas termodinâmicos e os caminhos

“percorridos” pelo calor...

Certa massa delimitada por

uma fronteira.

Vizinhança do sistema.

O que fica fora da

fronteira

Sistema fechado

Sistema que não troca energia

nem massa com a sua vizinhança.

Sistema Aberto

Sistema que não troca massa com a

vizinhança, mas permite passagem

de calor e trabalho por sua fronteira.

Sistema Termodinâmico

Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2Transformação

Variáveis de

estado

Variáveis de

estado

“Caminho” descrito pelo sistema na

transformação .

Processos

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Processos Durante a transformação

Isotérmico temperatura constante

Isobárico Pressão constante

Isovolumétrico volume constante

Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.

Transformações

1a Lei da Termodinâmica

ΔU = U2 – U1

Variação Energia Interna

W > 0 → sistema realiza trabalho

W < 0 → sistema sofre trabalho

Q > 0 → sistema recebe calor

Q < 0 → sistema perde calor

1a Lei

Q = W + ΔU

Sistema Fechado

Q = W + ∆U

Gás

Expansão nula

W = 0

Δ U = Q

ΔU depende apenas

de ΔT.

ΔT = 0 → ΔU = 0

ΔT > 0 → ΔU > 0

ΔT < 0 → ΔU < 0

Como U é uma

variável de

estado, ΔU não

depende do

processo.

Variação da Energia Interna

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.

∆V = V2 -V1

∆U = Q - W

Wdepende de

como a pressão

e volume mudam

no processo.

W = F.d

F = Pr.S

W = Pr.S.d

W = Pr.ΔV

.

O trabalho que atravessa a

fronteira

depende do processo?

P1V1 = nRT1

Estado 1

no de moles

Constante dos gases

R = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K

Diagramas P x V

Gases ideais

1P1

V1

T1Como as variáveis

de estado se

relacionam?

Equação de estado

1ª Lei da Termodinâmica

W = 0

Q = m CV (T2-T1)

Calor específico

a volume constante

U = Q

∆V = 0

Transformação de 1 → 2

Volume invariável

Isovolumétrica

Processo isovolumétrico

Transformação a volume constante

Q = W + U

Q = + m CP (TB - TA)

calor específico

a pressão constante

W = Po [VB-VA]

1ª Lei da Termodinâmica

Q = W + U

Transformação a pressão constante

Processo isobárico

Êmbolo movimentado

lentamente

∆U = 0 → ∆T=0

Transformação à temperatura constante

Q = W

Q = W + 0

Processo Isotérmico

Movimento rápido do êmbolo.

Q = 0

W = - ∆U

Primeira Lei da Termodinâmica

Q = W + ∆U

Q = 0 → ∆U= - W

Compressão adiabática

Trabalho transforma-se em calor

Q = 0

O processo ocorre tão

rapidamente que o

sistema não troca calor

com o exterior.

W

Área sob o grafico

Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor

3.- Wciclo = W = área 12341

Wciclo > 0 → Qciclo 0

O sentido do ciclo no diagrama P V : horário.

O sistema recebe Q e entrega W

1a Lei da Termodinâmica

Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo

Qciclo = Wciclo

1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial

2.- Qciclo = Q

Processos cíclicos

“Trabalham” em ciclos.

Máquinas Térmicas

Fonte quente

Fonte fria

Trabalho

Ciclo

De onde a

máquina retira

calor QHot.

Para onde a

máquina rejeita

calor QCold

A máquina de Denis Papin

1647 - 1712

Em cada ciclo

W = Q1-Q2

Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1

ε = [1 – Q2/Q1]

∆U = 0

Eficiência térmica: 1ªLei

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

Ciclo Refrigerador

Qual o limite da eficiência

de uma máquina térmica ?

ε = [1 – Q2/Q1]

Q1 → 0

ε → 1

É possível construir esta

máquina?

ε → 100%

A eficiência da Máquina de Carnot

No ciclo:

∆U=0 → W = Q1 - Q2

ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1 = 1 - Q2/Q1

Q2/Q1 = T2/T1

ε = (1 - Q2/Q1) = (1 - T2/T1)

ε = 1 - T2/T1

Princípio de Carnot"Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode

ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"

BC e DA = adiabáticas

Ciclo reversível

A máquina ideal de Carnot