FÍSICA - 2 ano - Leis da Termodinamica

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FÍSICA
2º ano E.M.
Profº Dyozepe
LEIS DA TERMODINÂMICA
01
OBJETIVO: 
- Compreender que a Termodinâmica é uma
área da Física que estuda as transferências
de energia. Busca compreender as relações
entre calor, energia e trabalho mecânico,
analisando quantidades de calor trocadas e
os trabalhos realizados em um processo
físico.
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Um matemático grego
chamado Heron, por volta do
século I foi o primeiro a
documentar a ideia de
aproveitar o vapor para gerar
movimento. A máquina desse
experimento era chamada de
Eolípila.
UM POUCO DE HISTÓRIA:
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A Eolípila era um tipo de
caldeira com a forma de uma
esfera (ou cilindro) que girava
em seu eixo, movimento
causado pelo aquecimento da
água, cujo vapor saia pelos
orifícios, causando o
movimento.
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UM POUCO DE HISTÓRIA:
Mas somente no fim do século
XVII que a ideia de realmente utilizar a
energia térmica para geração de
movimento se formalizou. Foi
importante a participação de nomes
como Thomas Savery, Thomas
Newcomen e James Watt.
Ao lado direito temos uma
representação da bomba da água de
Thomas Newcomen.
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UM POUCO DE HISTÓRIA:
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Sua máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII. Em 1765,
James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de
Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira
de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado
como combustível.
A MÁQUINA TÉRMICA DE JAMES WATT:
Trata das condições de
equilíbrio térmico em um
ambiente isolado termicamente.
Se um corpo A está em equilíbrio
térmico com um corpo B e outro
C, podemos dizer que os corpos
B e C também estão em
equilíbrio térmico.
A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA:
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01) Imagine uma caixa de isopor que possa,
hipoteticamente, ser um recipiente completamente
isolado termicamente em seu interior. É correto
afirmar que em uma situação de equilíbrio térmico
entre três corpos dentro deste recipiente isolado
termicamente existe troca de calor e que a energia
interna é nula mesmo em alta temperatura?
EXERCÍCIO:
Resp: Se estão em equilíbrio, não há como trocar calor e se
há alguma temperatura, não tem como a energia interna ser
nula, baseado na equação da energia interna. 08
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O conhecido Princípio da Conservação
da Energia, quando aplicado à Termodinâmica,
recebe a denominação de 1ª Lei da
Termodinâmica. Essa lei pode ser
enunciada da seguinte forma:
“A variação da energia interna (ΔU) entre dois
estados quaisquer pode ser determinada pela
diferença entre a quantidade de calor (Q) e o
trabalho (W) trocados com o meio externo.”
A 1ª LEI DA TERMODINÂMICA:
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Matematicamente a 1ª Lei da termodinâmica
pode ser expressa por:
A 1ª LEI DA TERMODINÂMICA:
ΔU = Q – W
Que pode reescrita como:
Q = W + ΔU
OBS: É importante observar que essas grandezas podem 
ser positivas, negativas ou nulas.
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EXERCÍCIOS:
02) Certo gás diatômico e ideal recebe 12 J de
calor de uma fonte externa durante uma
transformação isocórica. Considerando que o
gás não cede qualquer quantidade de energia
em forma de calor para suas vizinhanças, a
variação da energia interna do gás, durante
essa transformação, é de:
a) +6,0 J d) +24,0 J
b) -12,0 J e) -24,0 J
c) +12,0 J
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EXERCÍCIOS:
03) Certa quantidade de gás ideal está
aprisionado em um pistão. Esse gás é
mantido sobre uma chama, por 5 minutos, e
recebe 496 J na forma de calor. Durante
esse processo o gás recebe a ação de uma
força externa, sofrendo um trabalho de 572
J, comprimindo-se. Baseado nessas
informações, calcule a variação de energia
interna:
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MÁQUINAS TÉRMICAS:
Máquinas térmicas são sistemas (ou dispositivos)
que realizam a conversão de energia térmica (Q)
em trabalho mecânico (W). Isto se dá quando uma fonte
de calor leva uma substância de trabalho de um estado
de alta temperatura para um estado de temperatura mais
baixa. A substância de trabalho (normalmente gás ou
vapor em expansão térmica) transfere
essa energia através de sua expansão no interior da
máquina térmica acionando o sistema mecânico (pistão,
rotor ou outro) e realizando trabalho. Link vídeo sobre:
https://www.youtube.com/watch?v=b4KzSF5c_mE
https://www.youtube.com/watch?v=b4KzSF5c_mE
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ESQUEMA DE UMA MÁQUINA TÉRMICA:
Retira “calor” da 
fonte quente (QQ).
Transforma parte da energia da
fonte quente em trabalho
termodinâmico W: energia útil.
Rejeita (perde) uma parcela
da energia para a fonte fria
(QF): energia NÃO útil.
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MÁQUINAS TÉRMICAS:
O trabalho (W) produzido em uma
máquina térmica pode ser definido a
partir das trocas de calor:
W = QQ - QF
onde QQ e QF são respectivamente o
calor cedido da fonte quente e o calor
recebido pela (rejeitado para a) fonte fria.
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA:
Dois enunciados, aparentemente
diferentes, ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica.
São os enunciados de Clausius e de Kelvin-Planck:
• Enunciado de Clausius:
“O calor não pode fluir, de forma
espontânea, de um corpo de temperatura
menor, para um outro corpo de
temperatura mais alta.”
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA:
• Enunciado de Kelvin - Planck:
“É impossível a construção de uma
máquina térmica que, operando em um
ciclo termodinâmico, converta toda a
quantidade de calor recebido da fonte
quente em trabalho mecânico.”
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RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA (η):
O rendimento de uma máquina térmica indica
a porcentagem de calor recebido da fonte quente
que foi transformado em trabalho mecânico:
W
QQ
η = ou η = 1-
QQ
QF
Em que:
η = rendimento da máquina térmica (sempre: 0 < η < 1).
W = trabalho mecânico produzido pela máquina.
QF = quantidade de calor rejeitado para a fonte fria.
QQ = quantidade de calor retirada da fonte quente.
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O CICLO DE CARNOT:
O ciclo conhecido como ciclo de Carnot é um
ciclo idealizado e reversível, no qual o fluido
operante se trata de um gás, que sofre quatro
transformações térmicas reversíveis: duas
transformações isotérmicas e duas transformações
adiabáticas, intercaladas.
A máquina térmica que funciona utilizando o
ciclo de Carnot, é conhecida como a máquina que
trabalha fornecendo rendimento máximo (maior
porcentagem).
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Expansão 
adiabática
Expansão 
isotérmica
Compressão 
isotérmica
Compressão 
adiabática
O CICLO DE CARNOT NO DIAGRAMA P X V:
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O CICLO DE CARNOT NO DIAGRAMA P X V:
https://www.youtube.com/watch?v=0vcLGEZDAME
Vídeo de simulação sobre o Ciclo de Carnot:
“Simulação do Ciclo de Carnot - Carnot Cycle1”
https://www.youtube.com/watch?v=0vcLGEZDAME
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RENDIMENTO DO CICLO DE CARNOT (ηmáx.):
O rendimento de uma máquina térmica que
funciona com base no ciclo de Carnot é uma
função exclusiva das temperaturas da fonte
quente (TQ) e da fonte fria (TF):
ηmáx.= 1-
TQ
TF
OBS: o zero absoluto (0 K)
seria a única temperatura da
fonte fria de uma máquina
ideal de Carnot, que
conseguiria operar com
rendimento 100%
(teoricamente).
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POSTULADOS DE CARNOT:
• 1º Postulado de Carnot:
“Nenhuma máquina operando entre duas
temperaturas fixadas pode ter rendimento maior
que a máquina ideal de Carnot operando entre
essas mesmas temperaturas”.
• 2º Postulado de Carnot:
“Ao operar entre duas temperaturas, a máquina
ideal de Carnot tem o mesmo rendimento, qualquer
que seja o fluido operante”.
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EXERCÍCIOS:
04) (UFSC) Assinale a(s) proposição(ões) correta(s) a respeito do ciclo
de Carnot:
01) Por ser ideal e imaginária, a máquina proposta por Carnot contraria
a segunda lei da Termodinâmica.
02) Nenhuma máquina térmica que opere entre duas determinadas
fontes, às temperaturas T1 e T2, pode ter maior rendimento do que uma
máquina de Carnot operando entre essas mesmas fontes.
04) Uma máquina térmica, operando segundo o ciclo de Carnot entre
uma fonte quente e uma fonte fria, apresenta um rendimento igual a
100%, isto é, todo o calor a ela fornecido é transformado em trabalho.
08) O rendimento da máquina de Carnot depende apenas das
temperaturas da fonte quente e da fonte fria.
16) O ciclo de Carnot consiste em duas transformações adiabáticas,alternadas com duas transformações isotérmicas.
SOMA:
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EXERCÍCIOS:
05) Uma máquina de Carnot é operada entre duas
fontes, cujas temperaturas são, respectivamente,
100 oC e 0 oC. Admitindo-se que a máquina receba
da fonte quente uma quantidade de calor igual a
1000 cal por ciclo, pede-se para calcular os itens:
a) o rendimento térmico da máquina.
b) a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.
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EXERCÍCIOS:
06) A cada ciclo, uma máquina térmica extrai 45
kJ de calor da sua fonte quente e descarrega
36 kJ de calor na sua fonte fria. O rendimento
máximo que essa máquina pode ter é de:
a) 20%
b) 25%
c) 75%
d) 80%
e) 100%
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EXERCÍCIOS:
07) Uma máquina térmica de Carnot rejeita para
uma fonte fria 550 calorias por ciclo completo.
Sendo as temperaturas das fontes fria e quente,
respectivamente, 227 oC e 727 oC, determinar:
* Considere que: 1 cal = 4,2 J. 
a) O rendimento máximo da máquina, em
porcentagem.
b) A quantidade de calor, em joules, absorvida da
fonte quente.