Descrição Macroscópica de um Gás ideal

A equação de estado relaciona a pressão P, atemperatura T e o volume V do gás

O gás não tem volume fixo ou uma pressão fixa

O volume do gás é o volume do recipiente

A pressão do gás depende do tamanho do recipiente

Para um gás ideal a equação de estado obtidaexperimentalmente é relativamente simples

Gás ideal é um gás de densidade baixa (pressão muitobaixa)

3

nRTPV

Lei do gás ideal

T é a temperatura absoluta em kelvin

A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressãoatmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal

K J/mol 315.8 R é a constante universal dosgases

n é o número de moles

4

Unidades de calor

A caloria (cal) era definida como o calor necessário para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5ºC para 15,5ºC

Em 1948, os cientistas concordaram que, como o calor (assim como otrabalho) é uma medida da transferência de energia, e sua unidade noSI deveria ser o joule

J4,186cal 1

Equivalente mecânico de calor

Dispositivo de Joule para determinar a relação da caloria e joule

O trabalho realizado sobre a água pelos pesos emqueda (em joules), rodam as pás produzindo umaumento de temperatura, equivalente à absorção, pelaágua, de uma determinada quantidade de calor (emcalorias)

5

Calor Específico e Calorimetria

O calor específico c de um substância éTm

Qc

Q é a energia transferida para a massa m de uma substância, fazendo

com que a sua temperatura varie de T

As unidades do calor específico são J/kg·C

A energia Q transferida do meio para um sistema de massa m varia a

sua temperatura de T

TmcQ

O calor específico elevado da água comparado com a maioria dasoutras substâncias comuns (Tabela) é responsável pelastemperaturas moderadas nas regiões próximas de grandes volumesde água

6

A Tabela mostra os calores específicos de algumas substâncias a 25 C e pressão atmosférica

7

mLQ

A transferência de energia necessária para a mudança de fase de umadada substância de massa m de uma substância pura é

L - calor latente da substância depende da natureza da mudançade fase e da substância

fL

evaporação ou condensação calor de evaporaçãovL

O calor latente de fusão é a energia necessária para romper todas asligações intermoleculares num quilograma de uma substância demaneira a converter a fase sólida em fase líquida.

O calor latente de vaporização é a energia que deve ser adicionadaa um quilograma da fase líquida de uma substância para rompertodas as ligações de maneira a formar um gás

fusão ou congelamento calor de fusão

8

A Tabela mostra os calores latentes de diferentes substâncias

O calor latente de evaporação para uma dada substância égeralmente muito maior do que o calor latente de fusão

Trabalho e Calor em Processos TermodinâmicosVariáveis de estado – pressão, volume, temperatura e energia interna

O estado macroscópico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistemaestiver em equilíbrio térmico interno

Variáveis de transferência – trabalho ecalor

Essas variáveis só têm valor diferente de zero se ocorrer um processono qual a energia é transferida através da fronteira do sistema

10

• Trabalho realizado por um sistemadeformável – o gás

O gás ocupa um volume V e exerce uma

pressão P nas paredes do cilindro e no pistão

A

FP porque VPW

O gás é expandido quasi-estaticamente, isto é,

devagar o suficiente para permitir que o

sistema se mantenha em equilíbrio térmico em

todos os instantes

11

O trabalho realizado pelo gás épositivo

O trabalho realizado pelo gás énegativo

Expansão do gás Compressão do gás

O trabalho total realizado pelo gás àmedida que o seu volume se altera de Vi

para Vf é dado por

f

i

V

V

PdVW

O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica – um diagrama PV

W

W é a área sob a curva

12

O trabalho realizado pelo gás depende da trajectória seguida entre os estados inicial e final

W

1

W

2W3

iff VVPW 1

ifi VVPW 2

f

i

V

V

PdVW3

Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V)

231 WWW

13

Primeiro Princípio da Termodinâmica

WQU

Q é a energia transferida para o gás

W é o trabalho realizado pelo gás

U é a variação da energia interna

Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica

Processo adiabático

Q=0Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, demaneira que a transferência de energia pelo calor não existe

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

WU

15

ProcessoisobáricoProcesso que ocorre a uma pressão constante

WQU

if VVPW

Processo isométrico (ouisocórico)

No processo isométrico, o volume é constantee é criado segurando-se o pistão de maneiraque ele não se mova

W=0

0 QWQU QU

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

Aplicando o primeiro princípio datermodinâmica

Toda a energia adicionada ao sistema pormeio do calor, vai para o aumento daenergia interna do sistema

Processo isotérmicoNum processo isotérmico a temperatura é constante

0U

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

WQU WQ 0 QW

Isoterma

A energia que entra no gás por meio do

trabalho sai do gás por meio do calor, de modo

que a energia interna permanece fixa

nRTPV V

nRTP

17

Processo cíclico

O sistema não isolado começa e termina nomesmo estado

0U

WQ

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

WQU WQ 0

Os processos cíclicos são muito importantes na descrição das máquinastérmicas

A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao

trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo

18

Mecanismos de Transferência de Energia emProcessos Térmicos

Condução

Em escala atómica há umatroca de energia cinéticaentre moléculas, na qual asmoléculas menos energéticasganham energia colidindocom moléculas maisenergéticas- Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno desuas posições de equilíbrio

- À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chamacomeçam a vibrar com amplitudes cada vez maiores

- Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nascolisões

O aumento da vibração das moléculas representa uma elevação detemperatura do metal

A taxa de condução depende das propriedades da substância

19

k é chamada de condutividade térmica do

material

Considere um bloco cujo material tem espessura e uma secção de área A, cujas faces opostas têm temperaturas T1 e T2, onde T2> T1

x

T2

T1

Taxa de transferência de energia pelo calor

tQH /

H é a potência

x

TA

t

QH

(Watts)

Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura

dT, podemos escrever a lei da condução como

dx

dTkAH

é o gradiente de temperatura(variação da temperatura com a posição)

dxdT /

T2 T1

20

T2 T1

Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa euniforme e de comprimento L

Está isolada de modo que a energianão possa escapar pelo calor a partirda sua superfície excepto nasextremidades, que estão em contactotérmico com reservatórios que têmtemperaturas T1 e T2

L

TT

dx

dT 12

No estado estacionário a temperatura em cada ponto ao longo dabarra é constante no tempo

A taxa de transferência de energia pelo calor será

L

TTkAH 12

k é a condutividade térmica

21

A Tabela mostra a condutividade térmica de diferentes substâncias

22

ConvecçãoA energia é transferida pelo movimento de um fluido

Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver aágua

À medida que a água é aquecida numa panela, as camadasinferiores são aquecidas primeiras.

Essas regiões se expandem e sobem porque tem umadensidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, aágua mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aípode ser aquecida.

O mesmo processo ocorrenuma sala aquecida por umaquecedor

23

Radiação

A energia é transferida pela radiação electromagnética

A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas eléctricas

A potência irradiada pelo corpo em

Watts

4AeTH

Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de

suas moléculas

8106696.5 W/m2K4Constante de Stefan-

Boltzmann:

T é a temperatura da

superfície do corpo emkelvins

A é a área da superfície docorpo em metros quadrados

e é uma constante chamada

emissividade