termodinâmico A1 (1)

Prévia do material em texto

Atividade A1 Termodinâmica 
Os sistemas termodinâmicos ilustram dispositivos práticos integrantes dos mais diversos componentes mecânicos, desde 
máquinas simples a unidades complexas de produção de energia, por exemplo. Nesse sentido, podemos classificar esses sistemas 
em três tipos básicos: sistema termodinâmico aberto; sistema termodinâmico fechado; e sistema isolado. 
Analisando as características principais de cada um desses sistemas, elabore uma descrição que relacione as fronteiras de um 
sistema com a sua classificação. Adicionalmente, explique como classificamos, em termodinâmica, um volume de controle e quais 
tipos de dispositivos podem ser entendido 
• O que é Termodinâmica ? 
 
A termodinâmica é a física que estuda as relações entre o calor (energia 
transferida, de um corpo para outro em virtude, unicamente, de uma diferença 
de temperatura entre eles) e o trabalho realizado (energia), sob a presença de um 
corpo ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, 
pressão e volume que busca compreender o comportamento e as transformações 
que ocorrem na natureza. 
As transformações podem ser isobáricas, quando a pressão é constante, variando 
volume e temperatura; isotérmica, quando a temperatura é constante, variando 
pressão e volume; isocórica ou isovolumétrica, quando o volume é constante, 
variando pressão e temperatura; e adiabática, quando não há troca de calor com 
o meio externo, seja porque o corpo esteja termicamente isolado ou porque o 
processo ocorre de forma tão rápida, fazendo com que o calor trocado seja 
desprezível. 
 
 A termodinâmica é o estudo das leis que regem as relações 
entre calor, trabalho e temperatura, bem como as transformações 
sofridas pela energia. A termodinâmica estuda o intercâmbio de energia 
entre sistemas macroscópicos, formados por um grande número de 
partículas, como os gases, fluidos e sólidos, recorrendo à análise de 
importantes grandezas físicas, como pressão, volume e temperatura. 
Introdução à termodinâmica 
Uma das ideias centrais da termodinâmica é a relação entre calor e 
trabalho mecânico: a partir dessa relação foi possível que 
construíssemos máquinas térmicas cada vez mais eficientes e úteis, 
como a máquina a vapor e os motores de combustão interna. Para que 
se entenda o funcionamento desses sistemas mais complexos, é 
necessário aprender alguns conceitos imprescindíveis para a 
compreensão da termodinâmica, por isso, vamos revisar cada um desses 
conceitos de forma detalhada, a seguir. 
 
 Conceitos da Termodinâmica 
 Conheça alguns dos mais importantes conceitos da termodinâmica: 
• Sistema termodinâmico 
Sistema termodinâmico é um conceito abstrato que pode ser entendido 
como uma região do espaço, ou ainda uma certa porção de matéria que 
possa ter suas grandezas termodinâmicas, como pressão, volume e 
temperatura, medidas. 
No âmbito da termodinâmica, existem dois tipos de sistemas: abertos e 
fechados. Nos sistemas abertos, há transferência de matéria para além 
da fronteira que separa um sistema de suas vizinhanças; já nos 
sistemas fechados, a quantidade inicial de matéria mantém-se constante 
após quaisquer que sejam as transformações feitas sobre ele. 
A Termodinâmica estuda as relações entre calor, energia e trabalho. 
• Estado termodinâmico 
O estado termodinâmico de um sistema é definido por um conjunto de 
grandezas que devem ser especificadas para que as condições desse 
sistema possam ser reproduzidas. Os estados termodinâmicos são 
representados por funções que são válidas para quando o sistema se 
encontra em equilíbrio térmico, mecânico e químico, explicados adiante. 
Para os sistemas termodinâmicos simples, como os que são estudados 
no âmbito do ensino médio, essas funções geralmente relacionam duas 
propriedades intensivas da matéria, 
como pressão e temperatura. Quando algum sistema deixa um estado 
termodinâmico, assumindo um novo estado, dizemos que esse sistema 
passou por um processo termodinâmico. 
 
• Equilíbrio termodinâmico 
O equilíbrio termodinâmico é a condição em que dois ou mais sistemas 
não realizam trocas de energia ou massa entre si, portanto, passado um 
longo tempo, sob tais condições, será impossível que se meça quaisquer 
mudanças macroscópicas nas variáveis de estado (pressão, volume e 
temperatura) desses sistemas. 
Como explicado anteriormente, para que o equilíbrio termodinâmico 
seja atingido, é necessário que os sistemas encontrem-se 
em equilíbrio mecânico, químico e térmico, ou seja, é preciso que, 
sobre esses sistemas não atuem quaisquer forças resultantes externas, 
que entre as fronteiras do sistema ocorram quaisquer tipos de reações 
químicas e finalmente, que não haja diferença de temperatura entre 
dois pontos quaisquer situados no interior do sistema. Se quiser 
entender mais sobre o conceito, acesse o nosso texto sobre equilíbrio 
térmico. 
• Temperatura 
A temperatura é a expressão macroscópica do movimento oscilatório de 
todas as partículas que compõem um sistema termodinâmico. Em outras 
palavras, entendemos a temperatura como a energia cinética média 
translacional, rotacional e vibracional dos átomos e moléculas que 
constituem um corpo: quanto maior for a velocidade dessas partículas, 
maior será a temperatura do corpo. 
A temperatura é medida em diferentes escalas, como a escala celsius e a 
escala kelvin. Essa última é usada como a definição formal de 
temperatura, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades: 1 
kelvin equivale à fração de 1/273,16 vezes a temperatura do ponto 
triplo da água pura, no entanto, sua definição é mais profunda, diz 
respeito ao estado de movimento dos átomos. 
A temperatura de 0K, por exemplo, conhecida como zero absoluto, é o 
limite hipotético de temperatura, no qual todos os átomos de um corpo 
encontram-se em repouso. Quer aprender mais sobre o assunto? Acesse 
o nosso texto sobre temperatura. 
• Calor 
Calor é a troca de energia entre sistemas termodinâmicos que é 
motivada exclusivamente em razão de uma diferença de temperatura. O 
calor pode ser medido em calorias, ou em joules. A caloria, por sua vez, é 
definida como a quantidade de energia que deve ser cedida à massa de 
1g de água para que a sua temperatura varie em 1 ºC (entre 14,5ºC e 
15,5ºC), sob uma pressão externa e constante de 1 atm. 
O calor pode ser transferido de diversas maneiras entre os corpos, os 
processos mais comuns de transferência de calor são conhecidos 
como condução, convecção e irradiação. Para saber mais sobre esse 
conceito, acesse o nosso texto: calor. 
• Energia interna 
Energia interna é a soma das energias cinéticas de cada partícula de um 
corpo. No contexto do ensino médio, muito frequentemente utiliza-se o 
termo energia térmica como um sinônimo de energia interna, no 
entanto, tratam-se de coisas um pouco diferentes. A energia interna está 
intimamente relacionada à temperatura média do corpo, que por sua 
vez, está relacionada com o grau de agitação molecular. 
Fórmulas da termodinâmica 
A termodinâmica é uma grande área da física e, por isso, vem 
acompanhada de um enorme número de fórmulas. Nessa seção, 
traremos somente as principais fórmulas utilizadas durante o estudo da 
termodinâmica, confira na tabela a seguir: 
 
Fórmula 
 
 
Descrição 
 
Calor sensível 
 
 
A equação 
fundamental da 
calorimetria é 
usada para 
determinar a 
quantidade de 
calor transferida 
por um corpo, 
em razão de uma 
mudança de 
temperatura. 
 
 
Calor latente 
A fórmula de 
calor latente, por 
sua vez, mede a 
 
 
quantidade de 
calor necessária 
para que uma 
mudança de 
estado físico 
ocorra. 
Conversão de temperaturas 
 
 
As três fórmulas 
ao lado são 
usadas para 
converter as 
temperaturas 
escritas nas 
escalas celsius, 
fahrenheit e 
kelvin, 
respectivamente. 
Equação de Clapeyron 
 
 
A equação de 
Clapeyron deriva 
da lei geral dos 
gases. Ela 
relaciona 
pressão, volume 
e temperatura 
com o número 
de mols de um 
gás ideal. 
Leigeral dos gases 
 
 
A lei geral dos 
gases afirma que 
o produto entre 
pressão e 
volume, dividido 
pela 
temperatura 
termodinâmica 
do gás ideal é 
sempre 
constante. 
Primeira lei da termodinâmica 
 
 
De acordo com a 
primeira lei da 
termodinâmica, 
a variação da 
energia equivale 
à diferença entre 
a quantidade de 
calor e o 
trabalho 
termodinâmico. 
 
Entropia 
 
 
A variação de 
entropia é 
calculada pela 
razão entre a 
quantidade de 
calor transferida 
e a temperatura 
da 
transformação 
isotérmica. 
Rendimento da máquina de Carnot 
 
 
O rendimento de 
uma máquina de 
Carnot depende 
exclusivamente 
das 
temperaturas em 
que operam as 
fontes quente e 
fria. 
 
Trabalho termodinâmico na 
transformação isobárica 
 
 
Na 
transformação 
isobárica, o 
trabalho 
realizado ou 
recebido pode 
ser calculado 
pelo produto 
entre a pressão e 
a variação de 
volume. 
Energia interna do gás monoatômico 
ideal e do gás diatômico 
 
 
A energia interna 
dos gases 
moleculares 
monoatômicos e 
diatômicos é 
calculada pelas 
fórmulas ao lado, 
em que n é o 
número de mols. 
Leis da termodinâmica 
As leis da termodinâmica descrevem o comportamento de diversos 
sistemas e a forma como se dão as trocas de energia com suas 
vizinhanças, vamos conhecer melhor cada uma delas: 
• Lei zero da termodinâmica 
A lei zero da termodinâmica, também conhecida como Lei do equilíbrio 
térmico, afirma que, se dois ou mais corpos permanecerem 
em contato térmico por um longo intervalo tempo, suas temperaturas 
tenderão a se igualar. Para que isso ocorra, o corpo de maior 
temperatura emite calor em direção ao corpo de menor temperatura. 
Saiba mais sobre o assunto acessando o nosso texto sobre a lei zero da 
termodinâmica. 
• Primeira lei da termodinâmica 
A primeira lei de termodinâmica, conhecida como lei da conservação da 
energia, afirma que, toda a quantidade de calor transferido de, ou para 
um sistema termodinâmico pode resultar em uma variação de energia 
interna e/ou na realização de trabalho. A fórmula utilizada para o 
cálculo da Primeira lei da termodinâmica é mostrado abaixo: 
 
ΔU – variação de energia interna 
Q – calor 
τ - trabalho 
• Segunda lei da termodinâmica 
A segunda lei da termodinâmica é relacionada a uma grandeza física 
conhecida como entropia. De acordo com essa lei, 
qualquer processo termodinâmico irreversível e espontâneo causa 
um aumento na entropia de um sistema, tornando-o menos organizado. 
A seguir, trazemos a fórmula que é utilizada para o cálculo da variação 
de entropia de um sistema, observe: 
 
ΔS – variação de entropia 
ΔQ – transferência de calor 
TISOT – temperatura isotérmica 
Caso queira saber mais sobre a segunda lei da termodinâmica, 
sugerimos que confira nosso texto sobre entropia. 
• Terceira lei da termodinâmica 
A terceira lei da termodinâmica indica que o zero absoluto, cerca de -
273,15 ºC é inalcançável. De acordo com essa lei, não é possível que 
nada atinja tal temperatura, uma vez que, teoricamente, nessa 
temperatura, os átomos se encontrariam perfeitamente parados, algo 
que violaria o princípio da incerteza, fundamentado 
na mecânica quântica. 
 
 
Sistemas e meios 
Termodinâmica em biologia refere-se ao estudo das transferências de 
energia que ocorrem em moléculas ou conjuntos de moléculas. Quando 
nós estamos discutindo termodinâmica, o ítem específico ou conjunto de 
itens que nós estamos interessados (que poderia ser algo tão pequeno 
quanto uma célula, ou tão grande quanto um ecossistema) é chamado 
de sistema, enquanto que tudo que não está incluso no sistema nós 
então definimos como meio. 
 
Representação generalizada do sistema (um círculo), o meio (um 
quadrado em torno do círculo), e o universo (sistema + meio). 
Por exemplo, se você está aquecendo uma panela de água no fogão, o 
sistema pode incluir o fogão, o pote, a panela e a água, enquanto o meio 
é todo o resto: o resto da cozinha, a casa, a vizinhança, o país, planeta, 
galáxia e universo. A decisão do que se define como sistema é arbitrária 
(depende do observador), e dependendo do que você quer estudar, você 
poderia da mesma forma fazer com que a água, ou a casa inteira, sejam 
parte do sistema. O sistema e o meio, juntos, formam o universo. 
Existem três tipos de sistemas na termodinâmica: aberto, fechado e 
isolado. 
• Um sistema aberto pode trocar tanto energia quanto matéria 
com o meio. O exemplo do fogão dado anteriormente seria um 
sistema aberto, pois o calor e o vapor d'água podem ser 
perdidos para o ar. 
• Um sistema fechado, por outro lado, pode trocar apenas 
energia com o meio, mas não pode trocar matéria. Se 
colocarmos uma tampa bem fechada na panela do exemplo 
anterior, ela estaria mais próximo de um sistema fechado. 
• Um sistema isolado não pode trocar nem matéria, nem energia 
com seu meio. Um sistema perfeitamente isolado é bem difícil 
de se encontrar, mas um cooler com tampa é conceitualmente 
similar a um verdadeiro sistema isolado. Os itens dentro do 
sistema podem trocar energia um com o outro, por isso a 
bebida fica gelada e o gelo derrete um pouco, mas eles trocam 
pouquíssima energia (calor) com o meio externo. 
 
Você, assim como os outros organismos, é um sistema aberto. Quer você 
pense sobre isso ou não, você está constantemente trocando energia e 
massa com seu meio. Por exemplo, vamos supor que você come uma 
cenoura, ou levanta um cesto de roupas sujas, ou simplesmente expira e 
libera gás carbônico na atmosfera. Em cada um desses casos, você está 
trocando energia e massa com seu ambiente. 
Trocas energéticas que acontecem em criaturas vivas devem seguir as 
leis da física. Nesse sentido, elas não são diferentes das transferências de 
energia que acontecem, digamos, num circuito elétrico. Vamos olhar 
mais de perto como as leis da termodinâmica (leis físicas da 
transferência de energia) se aplicam aos seres vivos como você. 
 
	Analisando as características principais de cada um desses sistemas, elabore uma descrição que relacione as fronteiras de um sistema com a sua classificação. Adicionalmente, explique como classificamos, em termodinâmica, um volume de controle e quais ...
	Introdução à termodinâmica
	Conceitos da Termodinâmica
	• Sistema termodinâmico
	• Estado termodinâmico
	• Equilíbrio termodinâmico
	• Temperatura
	• Calor
	• Energia interna
	Fórmulas da termodinâmica
	Leis da termodinâmica
	• Lei zero da termodinâmica
	• Primeira lei da termodinâmica
	• Segunda lei da termodinâmica
	• Terceira lei da termodinâmica
	Sistemas e meios