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Discentes: Giovanna Lorena e Izaura Leis da Termodinâmica Relação entre Calor, energia e Trabalho A Termodinâmica estuda a troca de matéria e a troca de energia pelo trabalho e pelo calor entre sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança. Trabalha com os estados de equilíbrio e com as propriedades macroscópicas que caracterizam os sistemas. Lei zero Associada ao conceito de temperatura Primeira Lei da Termodinâmica Relacionada ao conceito de energia Segunda Lei da Termodinâmica Associada ao conceito de entropia • LEI ZERO Indica as condições para o equilíbrio térmico. Essa lei afirma que se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. Desse modo, quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato, o corpo que estiver mais quente transfere calor para o que estiver mais frio. Assim, as temperaturas de ambos se igualam fazendo com que ocorra o equilíbrio térmico. Além disso, permite a definição de uma escala de temperatura em Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, Rankine, Newton e Leiden. De acordo com essa lei, entre as condições para o equilíbrios térmico está a influência dos materiais que tornam a condutividade térmica maior ou menor. Em termos práticos, para saber se dois sistemas têm a mesma temperatura não é necessário colocá-los em contato térmico entre si, bastando verificar se ambos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo. Tomamos dois sistemas diferentes e colocamos um em contato com o outro através de uma parede imóvel, impermeável à passagem de matéria, mas que permita a passagem de energia por calor. A partir do momento em que as propriedades dos sistemas deixam de variar, eles terão alcançado o equilíbrio térmico. TA = TC TB = TC TA = TB • PRIMEIRA LEI DA TERMODINÁMICA Esta lei representa a aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas termodinâmicos. Afirma que é possível elevar a temperatura de um sistema pela adição de calor (energia térmica), mas também efetuando-se trabalho sobre ele. https://www.ufsm.br/cursos/graduacao/santa-maria/fisica/2020/02/20/principio-de-conservacao-da-energia/ A energia interna U de um sistema é a soma das energias cinéticas e das energias potenciais de todas as partículas que formam esse sistema e, como tal, é uma propriedade do sistema. Isto significa que qualquer variação ΔU na energia interna só depende do estado inicial e do estado final do sistema no processo considerado. A primeira lei da Termodinâmica estabelece o seguinte: se um sistema troca energia com a vizinhança por calor e por trabalho, então a variação da sua energia interna é dada por: ΔU = Q − W W representa a quantidade de energia transferida do sistema para a vizinhança por trabalho Q representa a quantidade de energia transferida da vizinhança para o sistema por calor. Por isso: • W > 0: o sistema se expande e perde energia para a vizinhança. • W < 0: o sistema se contrai e recebe energia da vizinhança. • Q > 0: a energia por calor passa da vizinhança para o sistema. • Q < 0: a energia por calor passa do sistema para a vizinhança. Um gás (como ar ou hélio) preso em um recipiente com um pistão móvel encaixado firmemente (como mostrado abaixo). Vamos considerar que o pistão possa se mover para cima e para baixo, comprimindo o gás ou permitindo que ele se expanda (mas o gás não pode sair do recipiente). Os moléculas de gás presas no recipiente são o "sistema". Essas moléculas de gás têm energia cinética. A energia interna de nosso sistema pode ser pensada como a soma de todas as energias cinéticas das moléculas de gás tomadas individualmente. Então, se a temperatura do gás aumenta, as moléculas aumentam sua velocidade e a energia interna do gás aumenta (o que significa que é positivo). Da mesma forma, se a temperatura do gás diminui, as moléculas diminuem sua velocidade, e a energia interna do gás diminui (o que significa que é negativo). É realmente importante lembrar que a energia interna e a temperatura vão aumentar quando a velocidade das moléculas de gás aumentar, já que elas são, na verdade, duas maneiras de medir a mesma coisa: quanta energia há em um sistema. Como a temperatura e a energia interna são proporcionais , se a energia interna for dobrada, a temperatura é dobrada. Da mesma forma, se a temperatura não variar, a energia interna não varia. Um modo pelo qual podemos aumentar a energia interna (e, portanto, a temperatura) do gás é transferindo calor para o gás. Podemos fazer isso colocando o recipiente sobre um bico de Bunsen ou submergindo-o em água fervendo. A alta temperatura do ambiente então conduz calor termicamente por meio das paredes do recipiente e no gás, fazendo com que suas moléculas se movam mais rápido. Se o calor entrar no gás, será um número positivo. Por outro lado, podemos diminuir a energia interna do gás transferindo calor para fora dele. Poderíamos fazer isso colocando o recipiente em um banho de gelo. Se o calor deixar o gás, será um número negativo. Essa convenção de sinais para o calor é representada na imagem abaixo. Como o pistão pode se mover, ele pode realizar trabalho no gás, movendo-se para baixo e comprimindo o gás. A colisão do pistão que se move para baixo com as moléculas de gás faz com que as moléculas se movam mais rápido, aumentando a energia interna total. Se o gás é comprimido, o trabalho realizado no gás á é um número positivo. Por outro lado, se o gás se expande e empurra o pistão para cima, um trabalho é realizado pelo gás. A colisão das moléculas de gás com o pistão que recua faz com que as moléculas se movam mais devagar, diminuindo a energia interna do gás. Se o gás se expande, o trabalho realizado no gás é um número negativo. Essa convenção de sinais para o trabalho é representada na imagem abaixo. • O processo termodinâmico pode ser feito nas diversas condições isobárico, adiabático ou isotérmico, • Independente do processo termodinâmico em que o trabalho foi realizado a energia interna do sistema depende só das configurações iniciais e finais, • SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Estabelece condições para que as transformações termodinâmicas ocorram. Desenvolvida por Rudolf Clausius, ela diz que para um sistema realizar conversões de calor em trabalho, ele precisa realizar ciclos entres fontes de calor quente e fria de forma sucessiva. Assim, ocorre a transformação de calor em trabalho por um processo cíclico. Por exemplo, estão de acordo com essa lei tanto a passagem de energia, por calor, de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor, quanto a passagem de energia, por calor, de um corpo de temperatura menor a outro de temperatura maior. No entanto, na Natureza, observamos que é possível a passagem espontânea de energia por calor apenas de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor. A segunda lei da Termodinâmica dá conta desta falta de simetria. Essa lei se baseia nos enunciados: • Enunciado de Kelvin: Aborda a incapacidade dos dispositivos térmicos converterem todo o seu calor em trabalho. Nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um único reservatório térmico e ceder, por trabalho, uma quantidade igual de energia para a vizinhança. • Enunciado de Clausius: Aborda sobre o fluxo de calor ser do corpo mais quente para o corpo mais frio. O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta; • Enunciadopela Entropia: Essa lei também se baseia no conceito de entropia (é a medida de grau de desordem de um sistema). A entropia de um sistema isolado não se altera, pois esse sistema não troca energia e nem matéria com a vizinhança. A entropia é medida em kelvin (K), e sua fórmula é dada pela razão entre a quantidade de calor transferida durante um processo isotérmico pela temperatura em que esse processo ocorreu. Observe: ΔS = 𝜟𝑸 𝑻 ΔS – variação de entropia ΔQ – quantidade de calor T – temperatura https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/calor.htm https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/lei-boyle-sobre-transformacao-isotermica.htm • ΔQ < 0 processo isotérmico, quando um sistema perde calor, sua entropia diminui. • ΔQ > 0 Quando um sistema recebe calor , sua entropia aumenta. • ΔQ = 0 Quando um sistema não realiza trocas de calor , sua entropia permanece constante. • Entropia: Quantidade estatística – trazendo um resultado estatístico É o número ou quantidade que conta o número total de possíveis maneiras nas quais os átomos de um objeto pode ser arranjado. 1- Em cada estado que o sistema se encontra com o passar do tempo, nós devemos ser capaz de dizer qual era seu estado anterior e o seu estado futuro, e que estados que são distintos em um estante de tempo devem permanecer distintos em todos os estantes. 2 -Sistema determinístico e reversível 3 - Na natureza só processos em que a antropia aumenta são permitidos. 4 – A entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir. Eventos macroscópicos possuem apenas uma direção de ocorrência. REFERÊNCIAS VAN WYKEN, G. J.; SONNATAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. São Paulo: Edgard Blücher, 1995. BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E.; Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 2009.
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