AULA 3

TERMODINÂMICA

A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem

constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para

percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma

transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos

que ocorrem freqüentemente ao nosso redor. A termodinâmica trata do estudo

da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo

de métodos para a transformação de energia térmica em energia de movimento.

TERMODINÂMICA

Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial,

quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser

substituído por máquinas.

ENERGIA TÉRMICA

Quando analisamos microscopicamente um corpo nos estados sólido,

líquido e gasoso, podemos perceber que:

No estado sólido, as partículas que constituem o corpo possuem uma

grande vibração em torno de sua posição, perfeitamente definida no interior do

corpo.

No estado líquido, as partículas, além de vibrarem, apresentam

movimento de translação no interior do líquido.

ENERGIA TÉRMICA

No estado gasoso, as partículas, além de vibrarem intensamente, também

transladam com grande velocidade no interior da massa gasosa.

Podemos concluir que, as partículas constituintes do corpo, possuem energia

de agitação. À energia de agitação das partículas do corpo, chamamos de

energia térmica.

ENERGIA INTERNA (U)

Os sistemas materiais termodinâmicos são capazes de armazenar em seu interior

qualquer energia recebida, assim como de restituí-la ao mundo exterior. Qualquer

corpo material é então capaz de constituir uma reserva de energia, denominada

energia interna.

A energia interna da matéria é: U = Ec + Epint

Ec é a soma das energias cinéticas das moléculas

Epint é a energia potencial de interação entre as moléculas (energia potencial

interna)

No caso dos gases, onde a distância entre as moléculas é grande, a energia

potencial interna é pequena, sendo portanto sua energia interna U

predominantemente cinética.

ENERGIA INTERNA (U)

Nos sólidos e líquidos, as distâncias entre as moléculas são pequenas, a

interação entre as moléculas é grande e a energia potencial interna da

interação entre as moléculas contribui significativamente para sua energia

interna.

ENERGIA INTERNA (U) - GASES

Determinar a energia interna de um gás não é uma tarefa simples, mas se

considerarmos este gás como um gás perfeito, a energia interna pode ser

determinada pela lei de Joule.

Onde: 

U é a energia interna.

R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).

T é a temperatura.

n é o numero de mols.  

ENERGIA INTERNA (U) - GASES

Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura

estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia

interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema.

Resumindo: 

No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a

temperatura, em Kelvin.

TRABALHO (ζ)

A energia interna U de um sistema de partículas pode ser modificada quando

forças externas e internas realizam trabalho sobre o sistema (forças internas são

aquelas que uma parte do sistema exerce sobre a outra parte do sistema).

Quando as forças internas são conservativas, apenas as forças externas

modificam a energia interna do sistema de partículas. No modelo que estamos

utilizando não existem forças internas não conservativas (quando o trabalho de

uma força não depende da trajetória, dizemos que esta é uma força

conservativa). A variação da energia interna é o trabalho das forças externas

não conservativas sobre o sistema.

TRABALHO (ζ)

Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante.

Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário

deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um

conseqüente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.

Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser

considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas

antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de

combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a

realização de trabalho.

TRABALHO (ζ)

De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de

um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado

na figura abaixo.

TRABALHO (ζ)

O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do

volume.

Para que o trabalho de um sistema seja diferente de zero, é obrigatória uma

variação de volume do sistema. Em transformações isométricas, ou seja, com

volume constante, o trabalho vale zero. Da relação de trabalho e variação de

volume temos:

Unidade de trabalho: no sistema internacional, o trabalho é medido em joules.

CALOR

Calor é uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira

espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

A transferência de energia produzida apenas por uma diferença de

temperatura denomina-se transferência de calor ou fluxo de calor, e a energia

transferida deste modo denomina-se calor.

Sendo o calor uma forma de energia, deve ser expresso em unidades de

energia. No sistema SI, a unidade de energia é o joule (Nm). Historicamente, a

primeira unidade de calor utilizada foi a caloria.

CALOR – Capacidade térmica e Calor específico

Em um recipiente contendo água na temperatura de 30ºC, foi introduzido um

pedaço de aço a 120ºC. Com o passar do tempo, podemos perceber que o aço

vai esfriando e a água vai se aquecendo até que ambos passam a ter mesma

temperatura. Nessa situação, dizemos que os dois estão em equilíbrio térmico.

O fato da água ter aumentado a sua temperatura significa que suas partículas

aumentaram a sua agitação térmica.

Mas quem forneceu esta energia?

CALOR – Capacidade térmica e Calor específico

Certamente podemos concluir que o aço, ao se resfriar, forneceu energia para a

água. Portanto, houve uma passagem de energia do aço para a água. Esta

energia, em trânsito é chamada de calor. Conseqüentemente, se colocarmos

dois corpos em diferentes temperaturas, em contato ou próximos, haverá

passagem de energia do corpo cujas partículas estão com um grau de agitação

maior (maior temperatura) para o corpo de partículas menos agitadas (menor

temperatura). Essa energia leva o nome de calor e seu trânsito dura até o

momento em que os corpos atingem o equilíbrio térmicos, isto é, a mesma

temperatura.

CAPACIDADE TÉRMICA

Define-se a capacidade térmica C de um corpo como “a quantidade de

calor necessária para aumentar sua temperatura em 1◦C.”

C = ∆Q/ ∆T, [C] = [cal/◦C] ou [joule/◦C].

Quanto maior é o valor de C, maior será a quantidade de calor necessária

para modificar sua temperatura. Diferentes substâncias têm diferentes

capacidades térmicas.

CALOR ESPECÍFICO

O calor específico de um corpo é a relação entre a capacidade térmica e

sua massa:

c = C/m, [c] = [cal/◦C. g]

Define-se o calor específico como a energia necessária para modificar a

temperatura de um grama da substância em um grau.

CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO

Nas faixas de temperatura onde o calor específico é constante, o calor

necessário para modificar a temperatura de um corpo em ∆T é: Q = m c ∆T (cal).

É importante ressaltar que, com essa definição, quando o corpo fornece

calor para as suas vizinhanças, a sua temperatura diminui e o calor Q é

negativo.

Quando colocamos vários corpos (por exemplo, três massas) com

temperaturas diferentes em um recipiente isolado termicamente do exterior, eles

trocam calor entre si até atingir o equilíbrio térmico. Como não há fluxo de calor

através das paredes do recipiente, a energia interna do sistema permanece

constante. Portanto, o somatório do calor trocado por cada uma das massas e o

seu exterior é zero.

Qtotal = Q1+ Q2 + Q3 = 0.

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

Um processo termodinâmico é um evento caracterizado pela variação de

uma ou várias funções de estado de determinado sistema.

Quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico e sofre uma

pequena variação (infinitesimal) em algumas de suas funções de estado, se

deixado isolado, ele encontrará naturalmente uma outra situação de equilíbrio,

como novos valores de suas funções de estado. Chama-se a essa mudança

infinitesimal de processo quase estático.

Um processo reversível é necessariamente uma seqüência de processos

quase estáticos. Para que um processo seja reversível é necessário que

conheçamos todas as micro-transformações que aconteceram entre o estado

inicial e o estado final.

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

As mudanças que sofrem algumas grandezas quando que acontece numa

transformação termodinâmica estão relacionadas através da equação que define

a Primeira Lei da Termodinâmica:

ΔE = Q −W

Onde:

ΔE = energia interna do gás

Q = calor absorvido pelo gás

W = trabalho executado pelo gás

PROCESSO ADIABÁTICO

Q = 0; sem troca de calor com o ambiente.Como não existe troca de calor entre o sistema (gás) e o ambiente, as

transformações estão associadas a troca de trabalho entre o sistema e o meio. As funções de estado p, V e T podem variar, mas sem que isso signifique uma troca de energia em forma de calor.

O sistema poderá trocar com o ambiente, energia em forma de trabalho. Por exemplo; o ambiente executará trabalho sobre o sistema diminuindo o volume deste sistema, e conseqüentemente aumentando a sua pressão e a sua temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema

PROCESSO ISOVOLUMÉTRICO

Volume constante.Em um processo isovolumétrico, não existe troca de energia na forma de

trabalho entre o sistema e o ambiente. As funções de estado p e T podem variar.Poderão acontecer trocas de energia na forma de calor, entre o sistema e o

ambiente. Por exemplo, o sistema absorverá calor do ambiente, e mantendo o volume constante, acontecerá um aumento tanto da pressão quanto da temperatura. Acontecerá a variação da energia interna do sistema.

PROCESSO ISOBÁRICO

Pressão constante.Num processo isobárico poderá acontecer troca de energia tanto em forma

de calor como em forma de trabalho. As funções de estado V e T podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento do volume, sem que aconteça variação da pressão.

Acontecerá a variação da energia interna do sistema.

PROCESSO ISOTÉRMICO

Temperatura constante.Num processo isotérmico poderá acontecer troca de energia tanto em forma

de calor como em forma de trabalho. As funções de estado p e V podem variar. Por exemplo, absorve calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece um aumento da pressão e volume, sem que aconteça variação da temperatura.

Não acontecerá a variação da energia interna do sistema.

TERMODINÂMICA E BIOLOGIA

Os organismos vivos não constituem exceções às leis da termodinâmica. Eles

incorporam, de seu meio ambiente, uma forma de energia que pode ser utilizada

por eles nas condições especiais de temperatura e pressão nas quais vivem

(energia livre) e, em seguida, repõe ao meio ambiente uma quantidade

equivalente de energia em forma, menos utilizável (calor e outras formas de

energia). A modalidade utilizável de energia que as células incorporam é

denominada energia livre, que pode, ser definida como o tipo de energia capaz

de produzir trabalho em condições de temperatura e pressão constantes.

TERMODINÂMICA E BIOLOGIA

O fluxo de energia nos seres vivos é estudado pela bioenergética a partir leis

da fundamentais da termodinâmica. Os seres vivos são descritos

termodinamicamente como estruturas ou sistemas dissipativas, ou seja são

sistemas que utilizam fluxos de energia para aumentar sua ordem interna e

operam longe do equilíbrio termodinâmico. Como as células operam a

temperatura constante torna-se necessário o uso de reações químicas como

forma de transferência e armazenamento de energia.

TERMODINÂMICA E BIOLOGIA

As células utilizam o acoplamento de reações para que a energia de uma

reação espontânea possa ser utilizada no favorecimento de reações não

espontâneas. Entre todas as moléculas utilizadas nos processos vivos a molécula

de ATP, tem um papel central na conservação de energia pelas células vivas pela

sua capacidade de armazenar energia na ligação do terceiro grupo fosfato e pela

capacidade de transferência do grupo fosfato, formação de ligações de

fosforilação, o que é essencial na formação de ácidos nucléicos, movimentação

de flagelos e quebra e composição de moléculas.

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Sobre um sistema, realiza-se um trabalho de 3000 J e, em resposta, ele

fornece 1000cal de calor durante o mesmo intervalo de tempo. A variação de

energia interna do sistema, durante esse processo, é, aproximadamente:

(considere 1,0 cal = 4,0J)  

a) –1000J

b) +2000J

c) –4000J

d) +4000J

e) +7000J     

Resposta: A

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Num calorímetro contendo  200g de água a 20°C coloca-se uma amostra de

50g de um metal a 125°C. Verifica-se que a temperatura de equilíbrio é de 25°C.

Desprezando o calor absorvido pelo calorímetro, o calor específico sensível

desse metal, em cal/g°C, vale:  

      a) 0,10

      b) 0,20

      c) 0,50

      d) 0,80

      e) 1,0   

Resposta: B

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Uma barra de cobre de massa 200g é retirada do interior de um forno, onde

estava em equilíbrio térmico, e colocada dentro de um recipiente de capacidade

térmica 46cal/°C que contém 200g de água a 20°C. A temperatura final de

equilíbrio é de 25°C. A temperatura do forno, em °C, é aproximadamente igual a:

Dado: CCu = 0,03 cal/g°C  

      a) 140

      b) 180

      c) 230

      d) 280

      e) 300

Resposta: C

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Um ser humano adulto e saudável consome, em média, uma potência de

120J/s. Uma “caloria alimentar” (1kcal) corresponde, aproximadamente, a 4,0 x

103J. Para nos mantermos saudáveis, quantas “calorias alimentares” devemos

utilizar, por dia, a partir dos alimentos que ingerimos?  

a) 33

b) 120

c) 2,6x103 

d) 4,0 x103

e) 4,8 x105   

   

Resposta: C

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAARHsAG/catabolismo-bioenergetica

http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fis

ica/calorimetria