Aula - Termodinâmica Básica

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PRINCÍPIOS
DE
TERMODINÂMICA
2
calor força,movimento
TERMODINÂMICA
Conceitos Básicos
3
Energia potencial gravítica,
mgh
Energia cinética de rotação
das pás
Energia interna das
moléculas de água
Conceitos Básicos
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Temperatura
INTERPRETAÇÃO MICROSCÓPICA:
Medida da energia cinética média dos átomos ou 
moléculas que constituem o sistema.
GASES: energia cinética de translação
SÓLIDOS: energia cinética de vibração
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Escalas de Temperatura
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Escala Celsius
( ) ( ) 273,15oT C T K= −
273,15 0,01
 0 273,15
o
o
K C
K C
→
→ −
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Escala Rankine e Fahrenheit
( ) 1,8 ( )oT R T K=
( ) ( ) 459,67o oT F T R= −
( ) 1,8 ( ) 32o oT F T C= +
Escala Rankine
Escala Fahrenheit
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Lei Zero da Termodinâmica
SISTEMA C
SISTEMA
 A
SISTEMA
 B
SISTEMA C
SISTEMA
 A
SISTEMA
 B
A temperatura é a propriedade que é comum a sistemas que se 
encontram em equilíbrio térmico (mesma classe de equivalência).
Dois sistemas (A e B) em equilíbrio térmico com um terceiro 
sistema (C) estão também em equilíbrio térmico um com o 
outro.
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Gás ideal
As moléculas não interagem entre si. 
Os choques entre as moléculas e as paredes do recipiente são 
perfeitamente elásticos (não há perda de energia). 
As dimensões das moléculas são desprezíveis em comparação 
com o volume do recipiente.
O movimento das moléculas é permanente e totalmente 
aleatório.
Estado de um gás: conjunto de diversas variáveis 
macroscópicas
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Transformações gasosas particulares
Diagrama P X V de uma transformação isotérmica
Transformação isotérmica (lei de Boyle-Mariotte)
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Transformações gasosas particulares
Diagrama P X V de uma transformação isobárica
Transformação isobárica (lei de Gay-Lussac)
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Transformações gasosas particulares
Diagrama P X V de uma transformação isovolumétrica
Transformação isovolumétrica (lei de Charles)
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Lei geral dos gases ideais
Equação de Clapeyron
Valores mais usados para a constante universal dos gases ideais R: 
R = 0,082 atm.L/mol.K
R = 8,31 J/mol.K
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Sistema Termodinâmico
Certa quantidade de massa delimitada por uma fronteira. 
Vizinhança do sistema: O que fica fora da fronteira
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Sistema Termodinâmico
SISTEMA ABERTO
Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas 
permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira.
SISTEMA FECHADO
Sistema que não troca energia nem massa com a sua 
vizinhança.
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Transformação
VARIÁVEIS 
DE 
ESTADO
P1
V1
T1
U1
ESTADO 1
TRANSFORMAÇÃO
VARIÁVEIS 
DE 
ESTADO
P2
V2
T2
U2
ESTADO 2
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Processos
“Caminho” descrito pelo sistema na transformação
VARIÁVEIS 
DE 
ESTADO
P1
V1
T1
U1
ESTADO 1
TRANSFORMAÇÃO
VARIÁVEIS 
DE 
ESTADO
P2
V2
T2
U2
ESTADO 2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
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Transformações
ΔU = U2 – U1
Variação Energia 
Interna
W > 0 → sistema realiza trabalho
W < 0 → sistema sofre trabalho
Q > 0 → sistema recebe calor 
Q < 0 → sistema perde calor
Sistema Fechado
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Primeira Lei da Termodinâmica
Q = W + ΔU
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Variação da Energia Interna
Q = W + ∆U 
Gás
ΔU depende 
apenas de ΔT 
 Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo.
Expansão nula → W = 0
Q = ∆U 
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Variação da Energia Interna
A energia interna de um gás é função apenas da 
temperatura absoluta T.
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 0 → ΔU < 0
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Variação da Energia Interna
23
Calor
O calor, Q, que passa pelas fronteiras 
do sistema depende do processo.
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Trabalho
∆U = Q - W
O trabalho que atravessa a fronteira 
depende do processo?
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Trabalho
W = F.d
Sendo,
F = P.S
Logo,
W = P.S.d
Fazendo,
S.d = ΔV = V2 – V1
Assim,
W = P.ΔV
W depende de como a 
pressão e volume 
mudam no processo.
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Processo isovolumétrico
Q = m cV (T2-T1)
∆V = 0 → W = 0 → ∆U = Q
cV = Calor específico a volume constante
Transformação a volume constante
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Processo isobárico
Transformação a pressão constante
Q = m cP (TB - TA)
W = Po [VB-VA] → Q = W + ∆U
cP = Calor específico a pressão constante
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Processo Isotérmico
Transformação à temperatura constante
Êmbolo movimentado lentamente
∆T=0 → ∆U = 0 
Q = W + 0
Q = W 
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Processo adiabático
Transformação sem troca de calor
Movimento rápido do êmbolo.
Q = 0
W
Área sob o gráfico 
O processo ocorre tão rapidamente que o 
sistema não troca calor com o exterior.
Q = W + ∆U 
Q = 0 → ∆U= - W
W = -∆U Compressão adiabática
Trabalho transforma-se em calor
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Processos cíclicos
Wciclo > 0 → Qciclo > 0
O sentido do ciclo no diagrama P×V : horário. 
O sistema recebe Q e entrega W 
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Processos cíclicos
3. Wciclo = ΣW = área 12341
1a Lei da Termodinâmica
Qciclo = Wciclo + ∆Uciclo 
Qciclo = Wciclo
1. ∆Uciclo = Σ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial
2. Qciclo = ΣQ
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Segunda lei da termodinâmica
É impossível construir um dispositivo que, operando em um ciclo 
termodinâmico, converta totalmente o calor recebido em trabalho. 
W
Esquema de máquina térmica. A segunda lei garante que 
há perda de calor na realização de trabalho.
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Segunda lei da termodinâmica
| W |
Rendimento de máquinas térmicas
Nenhuma máquina térmica apresenta 100% de rendimento.
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Ciclo de Carnot
Carnot descobriu o ciclo teórico capaz de extrair o máximo 
rendimento de uma máquina térmica.
O ciclo de Carnot compreende duas 
transformações isotérmicas (linhas azuis) 
e duas transformações adiabáticas 
(linhas vermelhas).
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Ciclo de Carnot
Rendimento do ciclo de Carnot
T é a temperatura em Kelvins