4 aula. Trabalho e calor

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A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de 
métodos para a transformação e energia térmica em energia de movimento, 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 primeira lei da termodinâmica, que é o princípio da conservação da energia aplicada a sistemas termodinâmicos. 
A segunda lei da termodinâmica, que nos mostra as limitações impostas pela natureza quando se transforma calor em 
trabalho. 
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. 
O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume. 
 
U é a energia interna e 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. 
No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a temperatura em Kelvin. 
Comparaçoes e observaçoes de Calor e Trabalho: 
Se a transferência de energia através das fronteiras de um sistema fechado deve-se a diferenças de temperatura, ela se 
chama calor; senão, ela se chama trabalho. 
Transferência de calor e trabalho não são propriedades do sistema. 
Não se pode definir Q2 (Q no estado 2) ou Q1. 
Q e W são funções do caminho, não “funções pontuais” 
Um sistema possui energia, mas não possui calor nem trabalho. 
Calor e trabalho são funções do caminho. Sua magnitude depende do caminho seguido durante o processo assim como 
dos estados finais. 
Calor : é uma forma de transporte de energia que ocorre devido apenas a diferenças de temperatura. Pode ser 
transferida de ou para um sistema ou transformada em outra forma de energia. 
 
Trabalho: É realizado pelo sistema (sobre a vizinhança). Se a energia cruzando as fronteiras não é calor, ele so pode ser 
trabalho. Interação de energia que não é causada por diferença de temperatura. 
Ele é definido em termos de uma força e de um deslocamento. 
Ex: Deslocamento de um pistão, rotação de um eixo, eletricidade, gravidade, força de uma mola, etc. 
 
 
Calor e Trabalho 
CALOR: Trata-se de um dos tipos de energia em transito. A transferência de calor ocorre através da fronteira do 
sistema, em virtude de uma diferença de temperatura ou da existência do gradiente térmico entre o sistema e o meio. 
Exemplo: Vamos supor um bloco quente de cobre que é jogado num recipiente que contém uma quantidade de 
água ma à temperatura ambiente e supor que o recipiente esteja isolado termicamente. Portanto, o calor que é uma 
energia em transito causada pela diferença de temperatura, tc-ta é transferido para aquecer a água, até que haja o 
equilíbrio de temperaturas, isto é: tc=ta=te. O calor cedido pelo cobre é recebido pela água. 
 
Figura 3.1- A energia na forma de calor do cobre é transferida para a água. 
O calor específico c de um substância é Q=mc delta T 
As unidades de calor são: kcal e BTU (British termal unit), Kcal: Quantidade de calor trocada e que varia de 1ºC (15,5º a 
16,5ºC) a temperatura de uma unidade de massa (1kg) de água. 1BTU=0,252kcal. Logo a unidade do calor específico é 
cal/kgºC ou J/kgºC. 
Q é a energia transferida para a massa m de uma substância, fazendo com que a sua temperatura varie de ΔT, expressa, no 
caso em que não há mudança de fase da substância por: 
Em algumas situações a transferência de energia para uma substância resulta em mudança de fase, e durante a mudança 
de fase a temperatura permanece constante. As mudanças de fase comuns são de sólido para líquido (fusão), líquido para 
gás (evaporação) 
A transferência de energia necessária para a mudança de fase de uma dada substância de massa m de uma substância 
pura é Q=+-mL 
L - calor latente da substância que depende da natureza da mudança de fase e da substância. 
O calor latente de fusão é a energia necessária para romper todas as ligações intermoleculares num quilograma de uma 
substância de maneira a converter a fase sólida em fase líquida. 
fusão ou congelamento →Calor de fusão: Lf. 
O calor latente de vaporização é a energia que deve ser adicionada a um quilograma da fase líquida de uma substância para 
romper todas as ligações de maneira a formar um gás. 
evaporação ou condensação →Calor de evaporação: Lv. 
O calor latente de evaporação para uma dada substância é geralmente muito maior do que o calor latente de fusão. 
Convenção de sinais: Calor recebido pelo sistema é positivo e calor cedido pelo sistema é negativo. 
 
Mecanismos de Transferência de Calor em Processos Termodinâmicos: 
- Condução: 
Em escala atómica há uma troca de energia cinética entre moléculas, na qual as moléculas menos energéticas ganham 
energia colidindo com moléculas mais energéticas. Antes de se inserir a barra na chama, os átomos estão vibrando em torno 
de suas posições de equilíbrio. À medida que a chama fornece energia à barra, os átomos próximos à chama começam a 
vibrar com amplitudes cada vez maiores. Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colisões. O 
aumento da vibração das moléculas representa uma elevação de temperatura do metal. A taxa de condução depende das 
propriedades da substância. 
 
Para um bloco de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura dT, podemos escrever a lei da condução como: 
, k é chamada de condutividade térmica do material e é o gradiente de temperatura (variação da temperatura com 
a posição). Suponha que uma substância esteja na forma de uma barra longa e uniforme e de comprimento L. 
 
- Convecção 
 
 
Radiação 
A energia é transferida pela radiação electromagnética. A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas 
eléctricas. Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de suas moléculas. 
A potência irradiada pelo corpo em Watts :