Calor e Primeira Lei da Termodinâmica

Prévia do material em texto

Aula: Calor e Primeira Lei da 
Termodinâmica 
 
 Profª Laís Costa Alves 
Licenciada em Física (IFMA) 
Mestra em Ciência dos Materiais (UFMA) 
 Imperatriz– MA 
 Setembro-2020 
Nesta aula... 
1. Introdução 
1.1 O estudo da termodinâmica 
2. Calor 
2.1 Calor sensível 
2.2 Calor latente 
2.3 Capacidade térmica 
2.4 Calorímetro 
2.5 Trocas de calor 
3. Primeira Lei da Termodinâmica 
3.1 Trabalho realizado por um gás 
3.2 Trabalho realizado sobre um gás 
3.3 Energia interna 
3.4 Processos termodinâmicos 
4. Segunda Lei da Termodinâmica 
5. Resumo 
6. Referências 
 
 
 
2 
Introdução 
Termodinâmica 
 Estudo da energia térmica 
(energia interna) dos sistemas; 
 Temperatura; 
 Aplicação na ciência e na 
tecnologia. 
2. Calor 
Imagem: Valo / Creative Commons Atribuição 2.5 
Genérica 
 Calor é a energia transferida 
de um sistema para o 
ambiente ou do ambiente 
para o sistema devido a 
diferença de temperatura . 
 ENERGIA TÉRMICA EM 
MOVIMENTO. 
 Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de 
MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura. 
T1 T2 T1 > T2 
2. Unidades de Calor 
T1 T2 
2.1 Calor Sensível 
 Quantidade de calor que produz variação 
apenas na temperatura de um corpo e não a 
sua mudança de fase. 
𝑸𝑺 = 𝒎 ∙ 𝒄 ∙ ∆𝑻 
Descrito por: Equação Fundamental da Calorimetria 
A Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL 
 
1. Massa (m) do corpo  Quanto maior a massa do corpo, maior a 
quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; 
2. ao Calor Específico (c)  Quanto maior o calor específico, maior a 
quantidade de calor necessária para variar sua temperatura; 
3. à Variação de Temperatura (∆T)  Quanto maior a variação de 
temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de 
calor que se deve fornecer. 
2.1 Calor Sensível ou 
Específico 
2.1 Calor Sensível 
Valores de calor específico para alguns materiais 
2.2 Calor latente 
 Quantidade de calor absorvida que produz mudança de fase no 
material. 
Ex. 
Fase sólida Fase Líquida 
Gelo + água 
Fase líquida Fase Gasosa 
Água + vapor 
𝑸𝑳 = 𝑳 ∙ 𝒎 
Descrito pela Eq: 
L  Constante de proporcionalidade (Calor latente) 
m  Massa do material 
2.2 Calor latente 
2.2 Calor latente 
Valores de calor latente para a água 
Curva de aquecimento - resfriamento 
2.3 Capacidade Térmica 
 Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura 
de um corpo. 
𝑪 =
𝑸
∆𝑻
 
𝑸  Calor sensível 
∆𝑻  Variação de temperatura 
Como 
Q = 𝑚𝑐∆𝑇 
𝐶 = 
𝑚𝑐∆𝑇
∆𝑇
 
Substituindo 
𝐶 = 𝑚𝑐 Unidade de capacidade térmica 
 cal/g °C 
c é o calor específico e dependo do material 
2.3 Capacidade Térmica 
2.4 Calorímetro 
Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share 
Alike 3.0 Unported 
 Recipiente termicamente isolado 
que evita troca de calor entre o seu 
conteúdo e o meio externo. 
Em princípio, um calorímetro ideal 
não deveria trocar calor com os 
corpos de seu interior, mas na prática 
isso ocorre. Portanto, em alguns 
casos, a capacidade térmica do 
calorímetro é considerada no 
equacionamento da troca de calor. 
2.5 Trocas de calor 
Num sistema de dois corpos, termicamente isolados do meio externo, a 
soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero. 
𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 + 𝑸𝒓𝒆𝒄𝒆𝒃𝒊𝒅𝒐 = 𝟎 
Para um sistema de n corpos, escrevemos: 
𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 +⋯+ 𝑄𝑛 = 0 
 Quantidades de calor podem ser tanto sensível quanto 
latente. 
Exercício 1 
Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é 
colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os 
calores específicos da água e do alumínio são 
respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C. 
Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o 
meio ambiente, qual a temperatura de equilíbrio dessa 
mistura ? 
 
Mecanismo de troca de calor 
 
Transferência de calor por convecção 
 
Primeira Lei da Termodinâmica 
F 
3.1 Trabalho de um gás 
O trabalho realizado por um gás pode ser calculado da seguinte 
forma: 
𝑊 = 𝑝𝑑𝑉
𝑉𝑓
𝑉𝑖
 
𝑝 Pressão exercida pelo gás no recipiente 
V Volume ocupado pelo gás 
𝑉𝑖 
𝑉𝑓 
 
 
 Volume inicial 
 Volume final 
Obs. 
 𝑉𝑓 > 𝑉𝑖 (W>0) realização de trabalho pelo gás.  
𝑉𝑓 < 𝑉𝑖 (W<0) trabalho realizado sobre gás.  Contração 
Expansão 
3. Primeira Lei da Termodinâmica 
 Corresponde ao principio da conservação da energia; 
 O calor (Q) fornecido ou retirado de um sistema: 
 Realização de trabalho (W); 
 Variação da energia interna do sistema (∆U). 
Q = W + ∆U (Primeira Lei) 
U  Depende do estado do material ( temperatura, pressão 
e volume); 
Q  Q>0 o (o sistema ganha calor) ; Q<0 (o sistema perde 
calor); 
W  W>0 (o sistema realiza trabalho sobre o ambiente); 
W<0 (o ambiente realiza trabalho sobre o sistema) 
3.2 Energia interna de um sistema 
(U) 
Diretamente relacionada com a temperatura; 
Variação na temperatura Variação em U (ΔU) 
Para moléculas monoatômicas: 
ΔTRn
2
3
ΔU 
n – número de mols do gás; 
R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K); 
T – temperatura do gás. 
Calor recebido 
 Calor cedido 
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio 
Primeira lei da termodinâmica 
3.3 Processos Termodinâmicos 
Processo isovolumétrico 
 Volume constante; 
 O calor recebido ou cedido é transformado na variação da 
energia interna do gás. 
Não há variação de volume W = 0 
Calor recebido 
Calor cedido 
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio 
Primeira lei da termodinâmica 
3.3 Processos Termodinâmicos 
Processo Isotérmico 
 Temperatura constante; 
 O calor recebido ou cedido é transformado em trabalho. 
Não há variação de temperatura ΔU = 0 
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio 
Primeira lei da termodinâmica 
3.3 Processos Termodinâmicos 
Processo cíclico 
Em um processo cíclico de um gás 
 
 os valores de pressão, volume e temperatura são idênticos aos 
do inicio do processo; 
 
 ao final da transformação, o gás se encontra no mesmo estado 
termodinâmico. 
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio 
Primeira lei da termodinâmica 
3.3 Processos Termodinâmicos 
Processo adiabático 
 Q constante (Não há trocas de calor); 
 O trabalho realizado pelo gás (w>0) ou sobre o gás (w<0) 
resulta na variação da energia interna (∆U). 
Obs. 
 
W > 0 (realizado pelo gás) Temperatura 
diminui 
W < 0 (realizado sobre o gás) Temperatura 
aumenta 
 
 
 
Exercício 2 
2. Um trabalho de 200 J é realizado sobre um sistema, e 
uma quantidade de calor de 70,0 cal é removida do 
sistema. Qual é o valor (incluindo o sinal) (a) de W, (b) de 
Q e (c) de ΔEint? 
3. Na Fig. 1, uma amostra de gás se expande de 𝑉0 para 4,0 𝑉0 
enquanto a pressão diminui de 𝑝0 para 𝑝0/4,0. Se 𝑉0 = 1,0 m3 e 
𝑝0 = 40 Pa, qual é o trabalho realizado pelo gás se a pressão 
varia com o volume de acordo (a) com a trajetória A, (b) com a 
trajetória B e (c) com a trajetória C? 
1. Em A, o processo é isobárico já que a pressão é constante. A variação de volume é Vo para 4Vo, logo 3Vo. De 
acordo com o enunciado, Vo = 1 m³. Portanto: 
 
 
2. Em B, a pressão e o volume são variáveis. Portanto o trabalho será numericamente igual a área da 
transformação que no caso é um triângulo retângulo de base 50 e altura 3, portanto: 
3.Em c o trabalho será 
𝜏 = PΔVc 
𝜏 = 10 4 − 1 = 30𝐽 
Segunda Lei da Termodinâmica 
 
 
Introdução 
 Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior 
aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois 
trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. 
Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da 
Termodinâmica: 
Enunciado de Clausius: o fluxo de calor ocorre espontaneamente do 
corpode maior temperatura para o de menor temperatura. O inverso 
seria uma transformação forçada, que dependeria do fornecimento de 
energia ao sistema para que ela ocorresse. 
Enunciado de Kelvin-Planck: nenhuma máquina térmica, que funcione 
em ciclos, pode transformar toda a energia térmica recebida (calor) 
em energia mecânica (trabalho), ou seja, não existe uma máquina 
térmica com 100% de rendimento. 
 
Introdução 
S. Carnot 
• Engenheiro Francês (1796-1832); 
• Contribui grandemente para o 
desenvolvimento da termodinâmica; 
• Em 1824, escreveu o tratado: Reflexões 
sobre a força motriz do fogo; 
Descreve um motor regido por um ciclo que 
recebe o nome de ciclo de Carnot. 
Introdução 
O ciclo de Carnot 
Fornece as condições para a obtenção de uma 
máquina térmica de maior rendimento, 
É um ciclo termodinâmico, onde ocorrem 
transformações termodinâmicas; 
Reversível; 
Representa um motor que trabalha com 
um gás ideal; 
Introdução 
O ciclo de Carnot 
Exemplo 1 
 Uma turbina em uma planta de geração de energia a vapor retira vapor de 
um aquecedor de 520°C e o elimina através de um condensador a 100°C. 
Qual o máximo rendimento possível para a turbina? 
Uma máquina absorve 52,4kJ e libera 36 kJ de calor em cada 
ciclo. Calcule (a) o rendimento e (b) o trabalho efetuado pela 
máquina em cada ciclo. 
Exemplo 2 
Resumo 
Calor é a energia que é transferida de um sistema para o ambiente, ou 
vice-versa, em virtude de uma diferença de temperatura. Tipos de 
calor: calor sensível e calor latente; 
 
Trocas de calor. Se um sistema de vários corpo que estão termicamente isolados 
do meio externo, a soma das quantidades de calor trocadas por esses corpos é 
igual a zero (ou seja a quantidade de calor cedida é igual a quantidade de calor 
recebida), portanto a energia do sistema se conserva. 
A primeira lei da termodinâmica corresponde ao principio da conservação de 
energia. Assim, o calor fornecido ou retirado de um sistema resultará na 
realização de trabalho e na variação da energia interna do sistema. 
Matematicamente expressa por: 
 Q = W+ ∆𝑈 
Processo termodinâmicos são: processos cíclicos, isovolumétricos e 
adiabáticos. 
Resumo 
O ciclo de Carnot é um ciclo idealizado, reversível, no qual o fluido 
operante é um gás perfeito, que corresponde a duas 
transformações isotérmicas e duas adiabáticas, intercaladas. 
Uma máquina perfeita é uma máquina imaginária na qual a energia extraída 
de uma fonte na forma de calor é totalmente convertida em trabalho. Uma 
máquina que se comportasse dessa forma violaria a segunda lei da 
termodinâmica, que pode ser reformulada da seguinte maneira: Não existe 
uma série de processos cujo único resultado seja a conversão total em 
trabalho da energia contida em uma fonte de calor. 
Leitura suplementar 
Capítulo 18 do livro . Fundamentos de física: gravitação, 
ondas e termodinâmica, vol.2 de Halliday e Resnick. 
Referências 
HALLIDAY, David, RESNICK, Robert. Fundamentos de física, volume 2 : 
 gravitação, ondas e termodinâmica 10. ed. – Rio de Janeiro : LTC, 2016. 
SEARS, F.; YOUNG, H. D.; ZEMANSKY, M.W. Física II. 12. ed., São Paulo: 
PEARSON, 2008, v. 2 
TIPLER, P; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros. 6 ed., Rio 
de Janeiro: LTC, 2014, v 2. 
OBRIGADA!