Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica

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CF108 – Física para Agronomia II 
31/10/2018 – Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica
Termodinâmica: ramo da física que estuda TEMPERATURA e CALOR
e suas relações com ENERGIA e TRABALHO.
• Trabalho:
CF108 – Física para Agronomia II - professora Alessandra Souza Barbosa
Aula passada...
Se p=constante:
Vf>Vi => W>0 (o gás empurra o pistão)
Vf<Vi => W<0 (o pistão é empurrado por
uma força externa)
 Exemplo1 (trabalho realizado por gás ideal): Um
mol de oxigênio se expande a uma temperatura
constante T de 310 K de um volume inicial Vi de 12 L
para um volume final Vf de 19 L. Qual é o trabalho
realizado pelo gás durante a expansão? (trate como
gás ideal).
R=8,31 J/mol K
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 Exemplo1 (trabalho realizado por gás ideal): Um
mol de oxigênio se expande a uma temperatura
constante T de 310 K de um volume inicial Vi de 12 L
para um volume final Vf de 19 L. Qual é o trabalho
realizado pelo gás durante a expansão? (trate como
gás ideal).
R=8,31 J/mol K
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Trabalho realizado por gás 
ideal durante um processo 
isotérmico: 
 Primeira Lei da Termodinâmica: em processos
termodinâmicos a lei de conservação de energia assume a
forma da Primeira Lei da Termodinâmica:
Variação da energia interna Energia trocada em 
forma de calor
Energia trocada em 
forma de trabalho
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Aula passada...
restrição consequência
adiabático Q = 0 ΔEint = -W
Volume constante W = 0 ΔEint = Q
Ciclo fechado ΔEint = 0 Q = W
Expansão livre Q = W = 0 ΔEint = 0
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Aula passada...
 Exemplo2: uma pessoa deseja comer um sundae
com calda quente (~900 kcal) e, a seguir, subir
correndo vários lances de escada para transformar
em energia a sobremesa ingerida. Até que altura a
pessoa terá que subir? Suponha que a massa da
pessoa seja de 60 kg.
1 kcal = 4184 J
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Calores Específicos de um gás ideal
 Calor específico:
 Calor específico molar (C):
O calor específico 
depende do processo de 
fornecimento de calor!
Volume constante
Pressão constante
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Calores Específicos de um gás ideal
 Calor específico molar (C):
O calor específico depende do
processo de fornecimento de calor!
Volume constante:
Pressão constante:
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Calores Específicos de um gás ideal
 Relação entre os calores específicos CP e CV
Volume constante: W=0
1ª lei termo: 
Pressão constante: 
1ª lei termo:
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Calores Específicos de um gás ideal
 Razão entre os calores específicos:
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
 Diz o sentido de um processo termodinâmico:
 Calor flui do corpo mais quente para o mais frio!
Fenômenos que ocorrem na natureza tem um sentido preferencial:
 Velocidade de objeto deslizando em superfície com atrito diminui...
 Um objeto quente (xícara de café) SEMPRE esfria em uma sala...
 Um copo de água gelada sempre esquenta nesta mesma sala...
 TODO processo termodinâmico existente na natureza
é IRREVERSÍVEL!
(NÃO é possível fazer o caminho contrário!)
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
 processo REVERSÍVEL e IRREVERSÍVEL
Variação infinitesimal de temperatura
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
 Enunciado de Clausius (1854) da 2ª Lei da Termodinâmica:
“O calor não pode passar espontaneamente de
um corpo frio para um corpo quente”
 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA, Em termos da entropia:
Se um processo ocorre em um sistema fechado
(isolado), a entropia do sistema sempre aumenta
para processos IRREVERSÍVEIS e permanece
constante para processos REVERSÍVEIS. Ela nunca
diminui!
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
• Máquina térmica: dispositivo que extrai
energia do ambiente na forma de calor e
realiza trabalho útil
• máquina térmica ideal: todos os processos
são reversíveis => NÃO HÁ DESPERDÍCIO DE
ENERGIA.
• Principio de funcionamento: substância que
opera de forma cíclica (a substância deve passar
por uma série fechada de processos
termodinâmicos, chamados de tempos, voltando
repetidamente a cada estado do ciclo).
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
• Máquina térmica:
 1ª lei termo (processo cíclico)
• eficiência
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Calor extraído do 
reservatório quente
Trabalho realizado
Exemplo3: Máquinas térmicas
Um motor a gasolina de um caminhão grande consome 10000 J de 
calor e realiza 2000 J de trabalho mecânico em cada ciclo. O calor é 
obtido da queima da gasolina que possui um calor de combustão de 
Lc=5,0x104 J/g. 
(a) qual a eficiência desse motor?
(b) qual a quantidade de calor rejeitada em cada ciclo?
(c) qual a quantidade de gasolina queimada em cada ciclo?
(d) se o motor completa 25 ciclos por segundo, qual a potência 
fornecida em watts?
(e) qual a quantidade de gasolina queimada por segundo? E por hora?
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
 Exemplo de máquina térmica: Motores combustão interna
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Compressão aproximadamente adiabática
Expansão aproximadamente adiabática
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
 Motores combustão interna: Ciclo de Otto
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Ponto a: motor está cheio da 
mistura gasolina+ar
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
 Motores combustão interna: Ciclo de Diesel
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Ponto a: motor está cheio da 
mistura gasolina+ar
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
 Máquina de Carnot: todos os processos são reversíveis
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
 Máquina de Carnot: todos os processos são reversíveis
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
• Refrigerador: dispositivo que utiliza
trabalho para transferir energia de uma
fonte fria para uma fonte quente.
• refrigerador ideal: executa essa transferência
usando processos reversíveis.
• refrigeradores domésticos: o trabalho é
realizado por um compressor elétrico, que
transfere energia do compartimento onde são
guardados os alimentos (a fonte fria) para o
ambiente (a fonte quente).
• Refrigerador também opera de forma cíclica.
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Entropia no mundo real: Máquinas térmicas e refrigeradores
• Refrigeradores
• Coeficiente de performance K:
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Exemplo: Refrigerador
 Ar condicionado: retira ar quente do interior e joga
para o exterior
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Enunciado de Kelvin-Planck da 2ªLT:
É impossível a construção de uma máquina que,
operando em um ciclo termodinâmico, converta
toda a quantidade de calor recebido em trabalho.
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Enunciado de Clausius da 2ª LT:
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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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
 ENTROPIA (S): função de estado (depende apenas dos estados inicial i e
final f do sistema)
 Para calcular entropia para processos irreversíveis, procuramos um processo
reversível análogo:
Expansão livre x expansão isotérmica
(mesmos estados inicial e final!)
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
 Exemplo4: calcule a variação da entropia em uma
expansão livre.
Expansão livre x expansão isotérmica
(mesmos estados inicial e final!)
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Vf=2Vi
 Exemplo4: calcule a variação da entropia em uma
expansão livre.
Expansão livre x expansão isotérmica
(mesmos estados inicial e final!)
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A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Vf=2Vi Processo isotérmico!
(T=constante)