FI092-20162S-16-10-04-Aula14

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 Temperatura, Calor e Leis da 
Temodinâmica – Aula 14 
Criostatos de He3 
 
Tmin = 0.3 K = -272.85 
0C 
Física – FI 092 
2o semestre, 2016 
Mecanismos de transferência de calor 
• Condução: energia transferida átomo a átomo. H ou Pc = taxa de calor 
conduzido ou potência trocada por condução dada em W = J/s! 
k – a condutividade térmica do material. 
R – a resistência térmica a 
condução de calor. 
3 
Mecanismos de transferência de calor 
• Convecção: sistemática de movimento dos fluídos em reposta a 
variações de densidade associadas a variações de temperatura. Ar quente 
é menos denso e sobe. O ar frio é mais denso e desce. Correntes de 
convecção são efetivas formas de trocar calor. E congelador? 
4 
http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica8/termologia/conveccao20.jpg&imgrefurl=http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica8/termologia/conveccao.htm&h=186&w=252&sz=9&tbnid=inAT6CXS279k9M:&tbnh=78&tbnw=106&hl=pt-BR&start=2&prev=/images?q=convec%C3%A7%C3%A3o&svnum=10&hl=pt-BR&lr=&sa=G
Mecanismos de transferência de calor 
• Radiação: Um corpo absorve e libera calor através de ondas 
eletromagnéticas. Radiação Térmica. Este troca de calor é a única que 
ocorre no vácuo. 
 é a constante de Stefan-Boltzmann 
 é a emissividade (varia entre 0 e 1(corpo negro)) e A é área do corpo. 
Potência térmica irradiada. 
Potência térmica absorvida. 
5 
Calor,Temperatura e Trabalho (w) 
• Conservação de energia: relação entre 
calor, temperatura? 
nRTPV 
6 
W = Área sobe a curva PxV 
 
Para P constante: W = PV 
Primeira Lei da Termodinâmica 
• Conservação de energia: relação entre 
calor, temperatura? 
iEWQ 
TEi 
7 
Primeira Lei da Termodinâmica 
• Processos Adiabáticos: É um processo que ocorre tão rapidamente ou 
em um sistema tão isolado que não há transferência de calor. 
iEWQ 
WEi 
0Q
Quando gás passa por uma expansão adiabática, 
Sua temperatura diminui. 
Quando gás passa por uma compressão adiabática, 
Sua temperatura aumenta. 
8 
Primeira Lei da Termodinâmica 
• Processos isométricos (volume constante): Por exemplo um gás mantido 
em recipiente não deformável. 
iEWQ 
iEQ 
0W
Quando gás absorver calor sua temperatura 
aumenta. 
Quando gás libera calor sua temperatura diminui. 
9 
Primeira Lei da Termodinâmica 
• Processos cíclicos : Os estados inicial e final do sistema são o mesmo. 
Logo sua energia interna (e temperatura) tem que ser a mesma. 
iEWQ 
WQ 
0 iE
Quando um gás recebe calor a T const. ele 
expande. 
Quando um gás libera calor a T const. 
ele contrai. 
Processos cíclicos são curvas fechadas em um 
Diagrama p-V. 
10 
Primeira Lei da Termodinâmica 
iEWQ 
0WQ
0 iE
A temperatura do gás no estado inicial e final tem que ser a mesma. 
São processos súbitos em que não se conhece a pressão e volume nos 
estados intermediários. 
• Expansão livre : São processos adiabáticos nos quais nenhum trabalho é 
realizado. 
11 
Exemplo 4 
Deve-se converter 1 kg de água a 100 0 C em vapor d´água na mesma 
temperatura a P = 1,01.105 N/m2. O volume da água varia de 1,0 x10-3 m3 
de liq. para 1,671 m3 de gás. 
a) Qual o trabalho realizado pelo sistema? 
12 
Para P constante: W = PV 
Exemplo 4 
Deve-se converter 1 kg de água a 100 0 C em vapor d´água na mesma 
temperatura a P = 1,01.105 N/m2. O volume da água varia de 1,0 x10-3 m3 
de liq. para 1,671 m3 de gás. 
b) Qual a variação da energia interna do sistema? 
WQEi 
13 
Primeira Lei da Termodinâmica 
 
Resumo 
14 
 𝑄 = ∆𝐸𝑖 + 𝑊 
Processo Restrição 
 
Consequência 
Adiabático 
Isovolumétrico 
Ciclo fechado 
Expansão livre 
Entropia e a Segunda Lei da 
Termodinâmica 
Uma situação bem conhecida 
Explicação 
Mas... 
Tcafé > Tar 
Q é transferido 
do café para o 
ar 
Seria possível 
transferir Q de 
volta do ar para 
o café? 
Outra situação conhecida 
v 
Explicação 
v 
fa 
v=0 
v=0 
Corpo mais 
frio 
Corpo mais 
quente 
Wa= Q 
Mas... 
v=0 v Q = Wc ? 
Seria possível transformar todo o calor de volta em energia cinética? 
• Os dois exemplos aqui mencionados, assim como outros tantos, 
seriam perfeitamente viáveis pela 1a lei da termodinâmica. Nos dois 
casos há conservação da energia! 
 
• O que faz com que estes eventos não sejam observados? 
 
• Origem do problema: maior eficiência das máquinas térmicas! 
 
• Irreversibilidade, a seta do tempo e... 
A segunda lei da Termodinâmica 
Processos irreversíveis são processos que não podem 
voltar a situação original por pequenas pertubações do 
ambiente ao seu redor. 
Entropia e os processos Irreversíveis 
Se um processo irreversível ocorre em um sistema fechado, 
a entropia S do sistema sempre aumenta. 
Variação de entropia 
As mudanças de entropia de um sistema estão associadas, do forma equivalente: 1) a maneira 
com o sistema troca calor a uma dada temperatura ou 2) a diferentes maneiras que os átomos 
ou moléculas que compões o sistema podem estar dispostos. 
i fT T
bomba de 
alimentação 
Fonte quente T1 
Fonte fria T2 
água 
condensador 
W caldeira 
válvula 
expansão 
adiabática 
vapor 
superaquecido 
|Q1| 
|Q2| 
vapor frio 
Motor térmico 
Fonte 
fria T2 
Fonte 
quente T1 
Motor 
térmico 
|Q1| 
|Q2| 
W 
Motor térmico 
O diagrama ao lado representa o 
processo cíclico de um motor térmico 
e T1>T2 
210 QQWU 
Como Q1> 0, Q2< 0 e W > 0 
|||| 21 QQW 
Motor térmico 
Fonte 
fria T2 
Fonte 
quente T1 
Motor 
térmico 
|Q1| 
|Q2| 
W 
O rendimento de um motor 
térmico 
absorvidocalor
executadotrabalho
Q
W

1

||
||
1
1
2
Q
Q
 )1( 
Motor térmico 
A 2a lei da Termodinâmica 
implica na impossibilidade de 
existir um motor térmico 
perfeito 
Motor 
perfeito 
|Q1| 
W 
Fonte 
quente T1 
válvula 
Fonte quente T1 
Fonte fria T2 
Gás a alta 
pressão 
Gás a baixa 
pressão 
Compressor 
W 
Líquido a alta 
pressão 
Líquido a 
baixa pressão 
Condensador 
Evaporador 
|Q2| 
|Q1| 
válvulas 
Refrigerador 
Fonte 
fria T2 
Fonte 
quente T1 
Refrige-
rador 
|Q1| 
|Q2| 
W 
Refrigerador 
O diagrama ao lado representa o 
processo cíclico de um refrigerador e 
T1>T2 
210 QQWU 
Como Q1< 0, Q2> 0 e W < 0 
|||||| 21 QQW 
Refrigerador 
Fonte 
fria T2 
Fonte 
quente T1 
Refrige-
rador 
|Q1| 
|Q2| 
W 
O coeficiente de desempenho 
de um refrigerador 
fornecidotrabalho
absorvidocalor
W
Q

||
||
2
||||
||
21
2
QQ
Q


)0(  
Fonte 
fria T2 
Fonte 
quente T1 
|Q2| 
Refrigerador 
perfeito 
|Q1| = |Q2| 
Refrigerador 
A lei da Termodinâmica 
implica na impossibilidade de 
existir um refrigerador perfeito 
Exemplo 
Um refrigerador ideal com coeficiente de desempenho 4,7 extrai 
calor de um recipiente frio à taxa de 250J/ciclo. 
a) Qual o trabalho necessário, por ciclo, para manter o 
refrigerador em funcionamento? 
J
JQ
W 53
7,4
250||
|| 2 

b) Qual o calor entregue ao meio ambiente por ciclo? 
|||)||(|
21
WQQU 
0U em um ciclo 
JJJWQQ 30325053||||||
21

O ciclo de Carnot 
Dadas uma fonte quente e uma fonte fria, 
qual é o máximo rendimento que se pode 
obter de um motor térmico operando entre 
elas? 
Processos reversíveis 
• Existência de atrito reduz o rendimento pois a energia mecânica se 
transforma irreversivelmente em calor. 
• Corpos a temperaturas diferentes , se postos em contato, transferem 
calor de um para o outro irreversivelmente. 
29 
O ciclo de Carnot 
• Troca de calor deve ser 
feita isotermicamente 
 
• Mudança detemperatura 
deve ser feita 
adiabaticamente 
Ciclo reversível 
implementação 
V 
T1 
T2 
P 
isotermas 
adiabáticas 
|Q1| 
|Q2| 
W>0 
30 
1 
2 
3 
4 
expansão 
isotérmica 
expansão 
adiabática 
compressão 
isotérmica 
compressão 
abiabática 
T quente 
T fria 
T1 
T2 
P 
V 
1 
3 
4 
2 
|Q1| 
|Q2| 
W>0 
31 
Refrigerador e Máquinas térmicas de Carnot 
2
1
2
1
||
||
T
T
Q
Q

Motor térmico Refrigerador 
21
2
21
2
||||
||
TT
T
QQ
Q




1
2
1
2 1
||
||
1
T
T
Q
Q

32 
Exemplo 
A caldeira de uma máquina a vapor funciona a 180oC (T1= 453K) 
e o vapor escapa diretamente para a atmosfera. Qual seria o 
rendimento máximo da máquina? 
A pressão P2 é a pressão atmosférica, na qual a temperatura de 
ebulição da água é de 373K. Então o rendimento é 
18,0
453
80
1
21 


T
TT

Comentário: o condensador serve para resfriar o vapor d´água, 
à temperatura ambiente (300K), o que elevaria a eficiência da 
máquina 
33,0
453
153
1
21 


T
TT

33 
Ciclo de Otto (motor a gasolina) 
1 → 2 calor é transferido a volume constante 
2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado 
3 → 4 calor é rejeitado a volume constante 
4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente 
%25gasolina
Outros Ciclos 
34 
Ciclo de Diesel 
1 → 2 calor é transferido a pressão constante 
2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado 
3 → 4 calor é rejeitado a volume constante 
4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente 
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html 
%40diesel
35 
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html
Cilindro de um automóvel 
%40
%25


diesel
gasolina


36 
37