1ªe 2ª lei da Termodinâmica

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO RIO GRANDE DO SUL
UNIDADE UNIVERSITÁRIA EM TAPES
CURSO DE BACHARELADO EM GESTÃO AMBIENTAL
CÁREN KOCH DA ROSA
TERMODINAMICA: PRIMEIRA E SGUNDA LEI
TAPES 
2013
CÁREN KOCH DA ROSA
TERMODINAMICA: PRIMEIRA E SEGUNDA LEI
Este trabalho surgiu da proposta feita pela professora Taís Pegoraro Scaglioni na disciplina de Fundamentos de Física.
Com objetivos concretos ao conhecimento.
TAPES
2013
Lei da conserveção
	A lei da conservação diz que a energia em uma transformação não é perdida, pois ele somente se transforma em uma energia de outro tipo segundo Julius Robert Mayer. Segundo ele para a energia não se perder é necessário um isolamento térmico para evitar a perda em forma de calor.
	Uma forma de percebermos a mudança de energia de um tipo para outro é exemplificada assim:
	Se segurarmos um corpo de testes do alto de um prédio e o mantivermos parado, ele possuirá apenas energia potencial conferida a ele pelo seu peso e a força da gravidade, calculada pela fórmula m.g.h: Sendo m a massa do corpo, g a aceleração da gravidade e h a altura do corpo. Agora, no momento em que soltamos esse corpo e ele cai por toda a altura do prédio. À medida que sua altura vai diminuindo com a queda ele perde energia potencial que vai se transformando em energia cinética com o aumento da velocidade expressa por: mv2 / 2, sendo m a massa do corpo e vê a velocidade dele em um dado momento. Nesse caso estamos tratando de energia mecânica, uma energia que faz os corpos se mover. A energia potencial é usada nas usinas hidrelétricas. Aproveita-se a energia potencial da queda d’água para girar pás de turbinas (energia cinética), que por sua vez produzem energia elétrica.
	Quando temos uma reação exotérmica acontecendo em um tubo de ensaio, por exemplo, a energia liberada na reação se transforma em energia térmica aquecendo o tubo e o ambiente a volta dele. O mesmo acontece com uma reação endotérmica. Se você toca o tubo onde acontece uma reação endotérmica, você o sente gelado. Já que absorve a energia a sua volta, ela absorve também parte da sua energia térmica quando você toca o tubo. Por isso a sensação de frio.
TERMODINAMICA
	
	A termodinâmica trata-se do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação de energia térmica em energia de movimento. Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.
	A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao nosso redor.
1ª lei da termodinâmica
	A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia que pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho. Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:
	Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);
	A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.
ΔU= Q – t
	Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.
	Aplicando a lei de conservação da energia, temos:
ΔU= Q – t à Q = ΔU + t
Q à Quantidade de calor trocado com o meio:
Q > 0 à o sistema recebe calor;
Q < 0 à o sistema perde calor.
ΔU à Variação da energia interna do gás:
ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;
ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.
t à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:
t > 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;
t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.
Exemplo:
	 Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?
	As transformações que são estudadas na primeira lei da termodinâmica são:
	Apesar de Ter sido tomado como exemplo um gás. Pode ocorrer com qualquer material em que ocorra a troca de energia.
 Transformações gasosas
a) transformação isotérmica (temperatura constante)
A variação de energia do gás é nula, porque a temperatura não varia.
DT = 0 -> DU = 0
Pela Primeira Lei da termodinâmica, DU = ð = 0 -> Q = ð
Nesse tipo de transformação, o calor trocado pelo gás é igual ao trabalho realizado no mesmo processo.
b) Transformações isobáricas ( pressão constante)
Trabalho realizado ð = p DU
O calor trocado pelo gás, ao sofrer a variação de temperatura, numa transformação isobárica é dado por:
Q = mcpDT
	Onde:
 m = massa do gás
Cp = calor específico a pressão constante
DT = variação de temperatura
	Fazendo-se :
m = nM, onde n é o número de mols e m a molécula-grama, temos:
Q = nMcpDT
O produto de M do gás pelo Mcp = cp é denominado calor molar a pressão constante, sendo expresso em cal/ mol K ou J/mol K.
A quantidade de calor trocado se escreve:
Q = ncpDT
Em uma expressão isobárica, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado.
c) Transformação isobárica:
Em uma transformação isobárica, a variação de energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada com o meio exterior.
DU = Q
d) transformação adiabática
Um gás sofre uma transformação adiabática quando não troca calor com o meio exterior:
Q = 0
Em uma transformação adiabática, a variação de energia interna é igual em módulo e de sinal contrário ao trabalho realizado na transformação. Aplicando a primeira lei da termodinâmica, temos:
DU = Q - ð e sendo Q = 0, tem-se: DU = - ð
Transformações cíclicas. Conversão de calor em trabalho
	Ciclo ou transformação cíclica ocorre quando após várias transformações o gás volta a Ter as mesmas características que possuía inicialmente. Portanto, o estado final é igual ao inicial.
	O trabalho total realizado nesse caso é a soma do trabalho realizado em cada etapa do ciclo:
ð = ð 1 + ð 2
Isso também é válido para o calor trocado:
Q = Qab + Qbc + Qcd + Qda
Como o estado inicial é igual ao final, a variação de energia é nula.
DU = 0
Portanto, aplicando-se a Primeira Lei da termodinâmica:
DU = Q - ð = 0 ð = 0
Quando o ciclo ocorre em sentido horário, o gás recebe calor e fornece trabalho: Q -> ð.
Quando o sentido e anti-horário, o gás realiza a conversão de trabalho em calor: ð -> Q.
 Transformações reversíveis e irreversíveis
	Transformações reversíveis são aquelas que se realizam em ambos os sentidos, podendo voltar ao estado inicial. Isso ocorre geralmente em transformações mecânicas sem atrito. No caso de haver atrito, o corpo sofre perda de energia e, portanto não poderia voltar à posição inicial. Nesse caso, essa é uma transformação irreversível, onde sua inversa só pode ocorrer com influência do meio externo ou de corpos circundantes.
2ª LEI DA TERMODINAMICA
	Enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, essa lei faz restrições para as transformações realizadas pelas máquinas térmicas como, por exemplo,o motor de uma geladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que:
Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria.
	Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho.
	De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado na figura abaixo.
O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume.
 U é a energia interna.
R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).
 T é a temperatura.
n é o numero de mols.
	Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema. Resumindo:
 
	Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétrica, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em calor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o trabalho em calor com muita facilidade.
	O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio à segunda lei da termodinâmica que pode ser enunciada da seguinte forma:
	Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o calor em trabalho. Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência.
	Máquinas térmicas: Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.
 
	É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação:
	η = τ Q 1
	Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmica tem rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição:
	0 ≤ η < 1
	Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo.
	Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se soubermos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi demonstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que propôs a seguinte relação:
	η = 1 - - T 2 T 1
	Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa.
	Motores a combustão Historicamente, o primeiro motor desse tipo foi construído em 1867, pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto e foi baseado nas antigas máquinas a vapor. Esse tipo de motor é constituído de duas partes principais, o carburador e o cilindro.
	Nos automóveis atuais, o carburador foi substituído pela injeção eletrônica, que é responsável por uma mistura mais eficiente de oxigênio e gasolina. O funcionamento desses equipamentos pode ser resumido em quatro etapas e por isso eles são chamados de motores de quatro tempos. Observe a figura abaixo.
Primeiro tempo, a admissão.
	A válvula de admissão é aberta e o pistão aspira a mistura de ar e gasolina.
Segundo tempo, a compressão.
	A válvula de admissão é fechada, e a mistura é comprimida pelo pistão.
 
 Terceiro tempo, a explosão.
	Na parte superior do cilindro está a vela que provoca uma faísca e uma explosão da mistura. Esta explosão aumenta a pressão do gás que empurra o pistão para baixo enquanto que a sua temperatura cai de maneira significativa. Durante esse processo, as válvulas de admissão e escape permanecem fechadas.
Quarto tempo, o escape.
	A válvula de admissão permanece fechada, enquanto que a de escape se abre. Os gases residuais da explosão saem por essa válvula e pelo tubo de escapamento.
 Exemplo:
	Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho?
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
	Disponível em:<http://pt.wikibooks.org/wiki/Introdução_á_Física/Lei_da_conserv ação_da_ energia_ mecânica> Acesso em: 28/09/13
	Disponível em:<http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/Massa_Energia/Massa_ Energia.html>Acesso em: 28/09/13
	Disponível em:<http://www.angelfire.com/ct2/3lambda/Conserva__o_de _Energia. htm> Acesso em: 28/09/13
	Disponível em: <GrupoEscolar.com: http://www.grupoescolar.com/pesquisa/as-leis-da-termodinamica.html> Acesso em: 28/09/13