Termodinâmica - CEUNES

TermodinâmicaEstuda de forma macroscípica e estatísica a relação entre calor, trabalho eoutras formas de energiaEstudo de N partículas viamecânica:Estudo microscópico, estuda a dinâmicade cada partícula (molécula ou átomo).Estuda as variiáveis mecânicas.O que ganhariamos conhecendo asvariáveis mecânicas?Sist. Mecânico

1. Definições Importantes I1.1 Sistema termodinâmicoSistema com um número grande de partículasEstudo de N partículas viatermodinâmica:Estudo macroscópico, estuda a dinâmica dasquantidades médias.Estuda as variáveis termodinâmicas.Descreve o sistema no sentido estatísticoSist.termodinâmico

1.2 Variáveis termodinâmicasVariáveis macroscópicas experimentalmente acesséveis. Quantidades médiasno sentido estatístico. Exemplo: Pressão, volume, temperatura, entropia,entalpia, etcQuant. Cinemáticasmédias1.3 Estado termodinâmicoÉ o conjunto de variáveis termodiâmicasque um sistema pode ter em um instantedado. Ponto no diagrama PVT.

1.4 Equilibrio termodinâmico (equilibrio térmico)Quando nenhuma das variáveis termodinâmicas varia com o tempo= Constante1.5 Contato termodinâmico (contato térmico)Dois sistemas estão em contato termodinâmico (térmico) se existeuma interação entre elas que varie o seu estado termodinâmico. Aofinal da interação o sistema total estará em equilibrio termodinâmicoSe P e V são constantes

2. Lei zero da termodinâmica e “temperatura”Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com umterceiro corpo T, então A e B estão em equilíbrio térmicoCom P e V, constante posso usar o corpo T, para dizer quais corposestão em equilibrio térmico e quais não

Corpo 1Corpo 2Corpo 3Corpo 4Corpo 5...Corpo 100Corpo 1Corpo 27Corpo Corpo 51TCorpo 91Usado para “comparar”“temperatura”Todos eles estão emequilibrio térmico(mesmo estadotermodinâmico)Idéia de“temperatura”Para medir temperatura temos que calibrar o corpo T.Unidades SI : graus Kelvin (K)Ponto padrão de calibragem de termômetros: T = 273,16 K(ponto triplo da água)Corpo TTermômetro

2.1 Escalas de temperaturaObservação:Se dois corpos estão em equilíbriotérmico então sua temperatura é amesma

3. Dilatação térmica:Fato conhecido: Ao aumentar a temperatura de um metal este dilata-se3.1 Dilatação linear:Em uma dimensão. Quando uma dasdimensões é muito maior do queas outras

Comprimento àtemperatura T 0Coeficiente deDilatação linearouVariação detemperatura= T - T f 0Na maioria dos casos, o coeficiente de dilatação linear é considerado constante3.2 Dilatação superficial:Em duas dimensoẽs. Quando duas dasdimensões são muito maiores do que aterceiraCoeficiente deDilataçãosuperficial

3.3 Dilatação volumétrica:Em três dimensoẽs. Quando todas asdimensões são da mesma ordem degrandezaCoeficiente deDilatação volumétrico3.4 Caso particular:Água com 0 < T < 4 graus CelsiusO volume diminui !!!!

Congelamento da superfície dos LagosAté T > 4 graus Celsius o lago esfria. Entre 0 e 4 graus Celsius,apenas a camada superior esfria e congela

4. Definições Importantes II4.1 Parede adiabáticaIsolante de contato térmico como exterior do sistema termodinâmico4.2 Parede diatérmicaParede não adiabática4.3 Sistema isoladoSistema contido em um recipientecom paredes diatérmicas

4.4 Energia térmica:Energia que consiste nas energias cinética e potencial associadas aosmovimentos aleatórios dos átomos, moléculas ou componentes de umsistema físicoSólidosGases

5. Temperatura e Calor:Dois corpos em contato térmicoA energia térmica de A diminuiue a energia térmica de B aumentou.A transferiu energia para B,pois a temperatura de Afoi maior que a de B(Calor)

6. Calor:É a energia transmitida entre dois sistemas, devido à diferência detemperatura.Existe troca de energia térmica apenas se existe diferência de temperatura6.1 CasosSISTEMAO sistemaABSORVEcalor doambienteSISTEMAO sistemaEMITEcalor aoambiente

SISTEMAO sistema está emequilíbrio térmicocom o ambiente6.2 UnidadesJoule (J)Caloria (cal): Quantidade de calor necessária para elevar em 1 grauCelsius a temperatura de 1 g de água.Equivalente mecânico do calorBritish Thermal Unit (BTU)Observação: A “caloria” usada em nutrição é na verdade Kcal

7. Quantidade de Calor:MassaVariaçãodetempratura1 l3 lCalorabsorvidoou tiradoCalorespecífico7.1 Calor específicoQuantidade de calor necessária para elevar em 1 grau Celsius a temperatura de 1g desubstância dada.UNIDADES:A maior calor específico maior dificuldade de esquentar ou esfriar uma substânciaUma substância com calor específico alto “almacena” bem o calor

geralmente varia com a temperatura, mas na prática vamosdesprezar essa variação.Para queesteja bem definido preciso especificar ascondições na qual acontece a variação de temperaturaSe a pressão constanteou a volume constantePara líquidos e sólidosPara gases

7.2 Capacidade térmicaÉ o calor ganho o perdido pela variação de temperaturaUNIDADESCapacidadetérmica7.3 Calor específico molarQuantidade de calor necessária para elevar em 1 grau Celsius a temperatura de1 mol de substância dada.CalorEspecíficomolarMassa molarNúmerode moles

7.4 Calor de transformação ou calor latenteCalor Latente:Calor necessário (por unidade de massa)para que uma amostra mude totalmentede faseCalorlatenteFusãoEvaporaçãoCondensaçãoetcPara a água:Para o chumbo:

8. Primeira Lei da Termodinâmica:8.1 Processo termodinâmico: Mudança de estado termodinâmico.1.2Processo adiabático: Quando não há troca decalorProcesso isotérmico: Quando não há variaçãode temperaturaProcesso isobárico: Quando não há variaçãode pressãoProcesso isocórico: Quando não há variaçãode volume

8.2 Trabalho em processos termodinâmicos:AdxppProcesso 1A2→Processo 1B2→ObervaçãoO trabalhodepende docaminhoé um diferencialinexato

8.3 Calor em processos termodinâmicos:Processo 1(expansão atemperaturaconstante)Estado 1 Estado 2V = 2 lV = 5 lT =300 K T =300KProcesso 2(expansãolivre)V = 2 lT =300KV = 5 lO calordepende doprocesso(caminho)Obervaçãoé um diferencialinexato

8.4 Energia interna:Experimentalmente encontra-se que a quantidadenão depende do caminhoEm analogiacom a energiapotencial emMecânicaVariação daenergia internado sistemaEnergia interna: associada a energiacinética e potencial de interação doscomponentes do sistema

Convensão de sinaisCalorabsorvidopelo sistemaCaloremitidopelo sistemaTrabalhorealizadopelo sistemaTrabalhorealizadosobre osistema

8.5 Casos Particulares:Processo cíclico: 1A21 (Máquinas térmicas)Processo isobárico: 1A ou 2BProcesso isocórico: A2 ou B1

Processo adiabático: 12Processoirreversível2Processo de expansão livre18.6 Processos reversíveis:1. Processo deve se realizar muito lentamenteA diferença entre dois estados termodinâmicos deve ser infinitesimal →Processo quase-estático2. Processo com atrito desprezível: Não deve ser perda de calor por atritodiferencial exato

8. Mecanismos de Transferência deCalor:Existem três mecanismos detransferencia de calor entredois pontos:8.1 Condução:Acontece no interior de um corpo ou entres dois corpos em contatoO calor precisa de um meio material para se transmitir.Existe transmissão de calor sem movimento do meio.

Condutividade térmica maior indica queo meio é melhor condutor de calor:Condutividadetérmicaágua:cobre:ar:Caso particular: T e T e1 2gradiente T 2 de temperatutaconstantePotência de condução(taxa de transferênciade calor)Área através daqual o calor fluiGradiente detemperaturaT 2AT 1LResistência térmica à condução:

8.2 Convecção:Acontece no interior de um sistema, geralmentefluidosO calor precisa de um meio material parase transmitir.Existe transmissão de calor com movimento demassa do meio.Correntes de convecção:Pela expansão térmica, a densidadevaria.Densidades diferentes em regiõesdiferentes do meio levam amovimentos internosCorrentes decovecção

8.3 Radiação:O calor é transmitido por ondas electromagnéticas(radiação térmica).O calor não precisa de um meio material para se transmitir.Todo corpo com temperatura maior que o zero absoluto emite calor.Potênciade radiaçãoLei de Stefan-Boltzmann:Em KT = 293 K → radiação infravermelhaT = 1073 K → radiação visível (vermelha quente)T = 3273 K → radiação visível (branco quente) →lâmpada incandescenteÁrea deemissãoEmissividade(0

Problemas1. (Prob. 14) A 20 o C, uma haste tem exatamente 20,05 cm de comprimentoalinhada com uma régua de aço. Tanto a haste como a régua são colocadas emum forno a 270 o C , onde a haste mede agora 20,11 cm na mesma régua. Qual éo coeficiente de expansão linear do material do qual a haste é feita?

2. (Prob. 21) Como resultado de um aumento de temperatura de 32 o C, uma barracom uma rachadura no seu centro dobra para cima (ver fig.) . Se a distância fixa L ofor 3,77m e o coeficiente de expansão linear da barra for 25 x 10 -6 o C -1 , encontre aaltura x que o centro atinge.

3. (Prob. 27) Um pequeno aquecedor elétrico de imersão é usado paraaquecer 100 g de água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedorTem a especificação de 200 Watts (ele converte energia elétrica em energiatérmica com essa taxa). Calcule o tempo necessário para levar toda estaágua de 23 o C a 100 o C, ignorando quaisquer perda de calor.

4. (Prob. 25) Calcule a menor quantidade de energia em Joules,necessária para fundir 130 g de prata inicialmente a 15 o C.

5. (Prob. 38) O calor específico de uma substância varia com atemperatura de acordo com C= 0,20+0,14T+0,023T 2 com T em o Cem cal/g.K. Determine a energia necessária para aumentar atemperatura de 2 g desta substância de 5 o C para 15 o C

6. (Prob. 48) Um gás em uma câmara passa pelo ciclo mostrado nafigura. Determine a energia transferida pelo sistema como calordurante o processo CA se a energia adicionada como calor durante oprocesso AB for de 20 J, nenhuma energia for transferida como calordurante o processo BC, e o trabalho líquido realizado durante o cicloFor de 15 J.

6. (Prob. 48) Um gás em uma câmara passa pelo ciclo mostrado nafigura. Determine a energia transferida pelo sistema como calordurante o processo CA se a energia adicionada como calor durante oprocesso AB for de 20 J, nenhuma energia for transferida como calordurante o processo BC, e o trabalho líquido realizado durante o cicloFor de 15 J.

7. (Prob. 49) Qundo o sistema for levado do estado i até o estado j ao longoda trajetória iaf na figura, Q = 50 cal e W = 20 cal. Ao longo da trajetóriaibf, Q =36 cal (a) Quanto vale W ao longo da trajetória ibf? (b) Se W = -13cal para a trajetória de volta fi, quanto vale Q para esta trajetória? © SeU int,i= 10 cal, quanto vale U int,j? Se U int,b= 22 cal, quanto vale Q para (d) atrajetória ib e (e) para a trajetória bf?