Leis da Termodinâmica

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TERMODINÂMICA
Termodinâmica:	Ciência	que	trata	das	transformações	de	energia	de quaisquer espécies, umas nas outras.
As	restrições	gerais	em	que	estas	transformações	ocorrem	são
conhecidas como a 1a lei e a 2a lei da termodinâmica.
Estas leis	não	se	demonstram	no sentido	matemático. A validade	de ambas fundamenta-se, ao contrário, na experiência.
Termodinâmica é a ciência que trata
do calor e do trabalho
das características dos sistemas e
das propriedades dos fluidos termodinâmicos
Exemplos práticos...
De transformação entre as energias: Térmica e Mecânica:
“Máquina a vapor“ e “Refrigerador”
Elétrica e Mecânica:
“Motor de partida“
Química e Elétrica:
“ Baterias“ e “Pilhas”
Química e Térmica:
“Reações Exotérmicas“ (Ex: reação de combustão de um combustível qualquer)
Eletromagnética e Química:
“Fotossíntese“
Química e Mecânica:
Ação muscular corpo humano
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
variar	de	volume,
Os	sistemas	podem temperatura e energia.
Abertos/fechados.
DEFINIÇÕES
SISTEMA
É tudo aquilo que é objeto de nosso estudo.
Pode ser tão simples como um objeto livre e;
Pode ser complexo com toda uma refinaria química.
VIZINHANÇA
É tudo aquilo que é externo ao sistema.
FRONTEIRA (OU SUPERFÍCIE DE CONTROLE)
O sistema é diferenciado de sua vizinhança por uma fronteira especificada que
pode:
Estar em repouso (é fixa) ou;
Estar em movimento (é móvel).
Interações entre um sistema e sua vizinhança acontecem ao longo da fronteira.
É essencial que a fronteira seja delineada cuidadosamente antes do procedimento de análise do problema em questão.
TIPOS DE SISTEMA
SISTEMA FECHADO (OU MASSA DE CONTROLE)
É	definido	quando	uma	quantidade	particular	de	matéria está sendo estudada.
Sempre contém a mesma quantidade de matéria.
Não	pode	haver	transferência	de	massa	através	da fronteira.
Permite	a	ocorrência	de	troca	de	energia	(em	geral,	na forma de calor e trabalho) através da fronteira.
TIPOS DE SISTEMA
SISTEMA ISOLADO
É definido como sendo um tipo especial de sistema fechado que não interage de forma alguma com sua vizinhança.
Sistema sem nenhuma interação com a vizinhança, isto é,
não há troca de energia nem de massa.
Assim, um sistema isolado obedece às leis da conservação: a energia e a massa permanecem constantes.
TIPOS DE SISTEMA
SISTEMA ABERTO (OU VOLUME DE CONTROLE)
Sistema que troca energia e/ou massa com a vizinhança.
Uma	fronteira	de	sistema	que	permite	a	passagem	de massa é comumente qualificada como permeável.
É	um	volume	no	espaço	de	interesse	e	que	permite calcular entradas e saídas.
Sistema
isolado
Não troca energia nem matéria
com a sua vizinhança.
Sistema fechado
Não troca matéria com a sua
vizinhança (pode trocar energia).
Sistema
aberto
Troca matéria com a sua
vizinhança.
Termodinâmica
Os	sistemas	possuem	dois	tipos	de
energia:
Energia Interna...
Potencial – é a composição química Cinética – é o conteúdo de calor
Termodinâmica sistemas	possuem
dois	tipos	de
Os energia:
Energia Externa...
Potencial – é dependente da altura do sistema no Campo G.
Cinética	–	é	dependente	da	velocidade	de deslocamento do sistema no espaço.
Termodinâmica
Ep + Ec INT
Ec	EXT
Distância
Altura
Ep EXT
Termodinâmica
A	Energia Interna de um sistema pode ou
não
depender	de	Massa
menos	macroscopicamente.
do	sistema,	pelo
Com	isso,
classifica-se
Propriedades extensivas
Propriedade intensivas
DEFINIÇÕES
PROPRIEDADES EXTENSIVAS
Dependem do tamanho e extensão do sistema.
Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido.
Seus valores podem variar com o tempo.
Exemplo: massa, energia, volume.
PROPRIEDADES INTENSIVAS
Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.
Não são aditivas, como no caso anterior.
Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento.
Exemplo: temperatura, pressão, calor específico.
Propriedade intensivas (independem da massa)
pressão
temperatura
voltagem
viscosidade
Propriedade extensiva (dependem da massa)
volume
quantidade de matéria
densidade
quantidade de energia
Termodinâmica
1ª Lei:
Descreve a conservação da energia.
Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.
Termodinâmica
energia	se
1ª Lei:
Toda	transformação	de acompanha de energia térmica.
Qualquer	forma	de	energia	ou	trabalho, pode ser totalmente convertida em calor.
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
Ao ser aquecido, o gás se expande empurrando o
êmbolo para cima.
Notamos que o calor fornecido ao gás produziu trabalho, ao mover o êmbolo, e fez aumentar a temperatura do gás.
Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia.
A primeira lei da Termodinâmica corresponde, na verdade, ao princípio da conservação da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultará na realização de trabalho (δ) e na variação da energia interna do sistema (∆U).
Q = δ + ∆U
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
Toda transformação de energia produz calor:
Os	seres	vivos	produzem	calor	em	todo	e qualquer processo biológico.
Alguns	perdem	calor	para	o	ambiente: temperatura	ambiental
Outros conservam parte desse calor e regulam sua temperatura.
Outra observação importante derivada da 1ª lei da TD:
Refere-se a transformação de calor em trabalho e vice-versa.
Qualquer forma de Energia ou Trabalho, pode ser
totalmente convertida em Calor.
A recíproca não é verdadeira:
Calor não pode ser totalmente convertido e m trabalho ou outra forma de Energia (uma parte continua sendo calor mesmo)
Mensuração do gasto energético
Mensuração do gasto energético de um indivíduo no repouso ou ao realizar alguma atividade particular – aplicações práticas.
Programas de perda de peso auxiliadas por exercício
Saber o gasto energético de uma caminhada, corrida ou natação em diversas velocidades
Engenharia do trabalho: distribuição de tarefas de acordo com cada operário
Técnicas empregadas para mensurar o gasto energético:
CALORIMETRIA DIRETA
CALORIMETRIA INDIRETA
Mensuração do gasto energético
Calorimetria direta
Uso	de	energia	pelo	corpo	para	realizar trabalho: liberação de calor
liberação	de	calor:	via	respiração (bioenergética) e trabalho celular.
Alimentos + O2	ATP + calor
celular
Trabalho celular
calor
Sadi Carnot 1796 - 1832
James Joule 1818 - 1889
Rudolf Clausius 1822 - 1888
Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907
Emile Claupeyron
1799 - 1864
Alguns ilustres pesquisadores
que construíram 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 compreenderas 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
Variáveis de estado
P2 V2 T2 U2
Estado 1
Estado 2
Transformação
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.
O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.
Transformação
Isovolumétrica
Transformação
Adiabática
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Profa. Josiane Santos
2ª Lei da Termodinâmica
Descreve	a	transferência	da	Energia	e	tem	vários enunciados.
Energia, espontaneamente, sempre se desloca de níveis mais altos para níveis mais baixos
Água sempre cai de uma cachoeira, objetos largados no espaço caem, xícara de café quente esfria, luz é mais intensa perto da lâmpada acessa, som é mais forte perto da fonte emissora etc
Resumindo 2 lei da TD
De onde tem mais, Matéria ou Energia, vai para onde tem menos.
É possível com a realização de Trabalho transferir Energia (Matéria) de nível mais baixo para nível mais alto.
Ex. bomba hidráulica eleva a água de um nível mais baixo para mais alto; levantar um objeto
Podemos enunciar a segunda lei da Termodinâmica da seguinte forma:
A entropia de um sistema isolado não se altera se ele realiza um processo reversível e aumenta se ele realiza um processo irreversível;
De modo mais conciso:
A entropia do universo aumenta sempre;
Enunciado de Clausius
É impossivel construir um dispositivo que opere segundo um ciclo e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo quente para um corpo frio.
Enunciado de Kelvin-Plank
É impossivel construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e troca de calor com um único reservatório térmico.
“Trabalham” em ciclos
Máquinas Térmicas
Identificando Irreversibilidades
Um dos importantes usos da 2ª Lei é a determinação da máxima eficiencia teórica de sistemas. E comparando a eficiencia de um sistema real com a máxima eficiencia teorica, podemos saber o quanto podemos melhorar nosso sistema.
No entanto, a máxima eficiencia teorica é avaliada através de processos idealizados, os quais diferem dos processos reais pela ausência das irreversibilidades.
O	que	determina	o sentido
de	certos
fenômenos da natureza?
Exemplo:
Sistema organizado
Sistema desorganizado
Processos Irreversíveis
Um processo é dito irreversivel se o sistema e sua vizinhança não puderem voltar ao estado inicial após o processo ter ocorrido.
Já um processo é dito reversivel se o sistema e sua vizinhança puderem voltar ao estado inicial após o processo ter ocorrido.
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
De acordo com a 1 ª Lei, a energia está em constante movimento (realizando Trabalho), e de acordo com a 2ª Lei, a energia somente vai de lugares mais altos (mais Energia) para lugares mais baixos (menos Energia).
Conclui-se que:
Todo sistema que realizou trabalho tem sua energia diminuída
Exemplos:
	água	de	uma	represa,	que	aciona	uma turbina, ao chegar ao solo tem menos energia.
Gases de combustão dos motores de explosão não acionam outro motor
Vapor que sai de um pistão não mais empurra outro
As fogueiras se extinguem
Seres humanos envelhecem...
1. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:
dilatação térmica;
conservação da massa;
conservação da quantidade de movimento;
conservação da energia;
irreversibilidade do tempo.
2. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema é dado por ∆U= ∆Q-δ, no qual ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é o trabalho que esse sistema realiza.
Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,
∆Q = ∆U;
∆Q = δ;
δ = 0;
d) ∆Q = 0;
e) ∆U = 0.