Revisando a Termodinâmica 01

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CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DE GUANAMBI – CESG 
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REVISANDO A TERMODINÂMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GUANAMBI - BA 
2017 
Jardel Gybson Soares Costa 
João Mateus Guimarães de Souza 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REVISANDO A TERMODINÂMICA 
 
 
 
Revisão bibliográfica apresentada ao 
curso de Engenharia Civil da Faculdade 
Guanambi, como um dos pré-requisitos da 
avaliação da disciplina de Mecânica dos 
fluídos e termodinâmica. 
 
Professor: Thomas Marques de Castro 
 
 
 
 
 
GUANAMBI – BA 
2017 
Sumário 
 
1.INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 3 
2.PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA ................................................................... 4 
2.1 TRANSFORMAÇÕES TERMODINÂMICA ........................................................ 4 
2.1.1 Transformação isotérmica ........................................................................ 4 
2.1.2 Transformação isométrica ........................................................................ 5 
2.1.3 Transformação isobárica .......................................................................... 5 
2.1.4 Transformação adiabática ........................................................................ 5 
3. AS MÁQUINAS TÉRMICAS E A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ............. 5 
4.ENTROPIA ............................................................................................................... 7 
5. APLICAÇÕES ......................................................................................................... 7 
REFERENCIA ............................................................................................................. 9 
 
 
 
 
 
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1.INTRODUÇÃO 
 
O brilhante físico estadunidense, Richard Feynman (1918-1988) apresentou a 
termodinâmica como a ciência que estuda a relação entre várias propriedades da 
matéria, porém, não levando em consideração a sua estrutura ou como ocorrem as 
interações ou colisões entre as moléculas. Logo, a Termodinâmica estuda as 
transformações e as relações existentes entre dois tipos de energia: energia mecânica 
e energia térmica (FILHO, 2006; BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
No passado, com a descoberta do átomo, o calor passou a ser reconhecido 
como o resultado obtido através do movimento interno dos corpos. Foi criada por volta 
de 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) a sua escala, a 
escala de Fahrenheit. Outra escala bastante utilizada, foi a de Anders Celsius que 
adaptou essa teoria, estabelecendo os limites de sua escala: os pontos de ebulição 
(100ºC) e de congelamento da água (0ºC). Também conhecida como escala absoluta, 
foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), conhecido como Lorde 
Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação 
de qualquer molécula e é calculada a partir da escala Celsius. A temperatura é, 
provavelmente, o primeiro conceito termodinâmico (COSTA, 2014). 
A termodinâmica estuda as leis, sendo essas as quais os corpos trocam 
(doando e recebendo) calor e trabalho com meio em que os cercam. A Primeira Lei da 
Termodinâmica, é traduzida pela conservação da energia. Por condução, o calor se 
transfere de um corpo para outro em consequência de choques moleculares. Quanto 
maior a temperatura, maiores as velocidades moleculares e mais frequentes os 
choques, ocorrendo, então, transferência de energia cinética para as moléculas de 
menor velocidade e, portanto, menor temperatura (REVISTA DE FÍSICA, 2008; 
MEDINA; NISENBAUM, 2009). 
Graças aos princípios da termodinâmica, foi possível construir e estudar 
sistemas que trocam com o meio externo as formas de energia calor e trabalho, de 
modo contínuo, Estes são denominados Máquinas Térmicas. O engenheiro inglês, 
James Watt (1736-1819), foi inventor da máquina térmica. A máquina térmica de 
James Watt foi o ponto de partida para o início da Revolução industrial, que 
transformou toda a estrutura social da Europa e do resto do mundo (BÔAS; DOCA; 
BISCUOLA, 2001). 
A Segunda Lei da Termodinâmica, comprovada com a busca pelo 
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aperfeiçoamento das máquinas térmicas pelo o cientista francês Sadi Carnot (1796-
1832), propõe que para um sistema realizar conversões de calor em trabalho, ele deve 
realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma permanente. 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. 
(NUSSENZVEIG, 2014) 
Existe uma propriedade associada a segunda lei da termodinâmica, esta 
propriedade é a entropia. De acordo com essa propriedade, a entropia de todos os 
corpos tende a zero quando a temperatura tende ao zero absoluto. Pode-se entender 
como entropia o "grau de desordem" de um sistema termodinâmico, mensurando a 
parcela de energia que não pode ser transformada em trabalho em transformações 
termodinâmicas (FILHO, 2006). 
 
2.PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 
 
É chamada de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia, 
onde é dito que, para todo sistema termodinâmico, existe uma função característica, 
denominada energia interna. A variação dessa energia interna (ΔU) entre dois estados 
quaisquer pode ser determinado pela diferença entre a quantidade de calor (Q) e o 
trabalho (τ) trocados com o meio externo. Matematicamente dada por: Q= τ + ΔU (S.I: 
Joule (J)) (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001, p. 119). 
Um sistema deve apenas armazenar ou transferir energia ao meio onde se 
encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber 
uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho τ e aumentar a energia 
interna do sistema ΔU. (COSTA, 2014). 
 
2.1 TRANSFORMAÇÕES TERMODINÂMICA 
Conforme Medina & Nisenbaum (2009) A primeira lei da termodinâmica é 
responsável por estudar algumas transformações, que são elas: 
 
2.1.1 Transformação isotérmica 
As transformações isotérmicas, a temperatura do sistema gasoso se mantém 
constante e, em decorrência disso, a variação de sua energia é nula (ΔU=0). 
Lembrando que a energia interna de um gás perfeito é função de sua temperatura 
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absoluta (U= (3/2) nRT), onde, U = energia interna, T = temperatura absoluta, n = 
constante (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
 
2.1.2 Transformação isométrica 
 As transformações isométricas que também são denominadas isovolumétricas, 
ou isocóricas, o volume do gás mantém-se constante, como consequência, o sistema 
não troca trabalho com o meio externo (τgás = 0). Logo, nesse tipo de transformação o 
sistema não realiza nem recebe trabalho (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
 
2.1.3 Transformação isobárica 
As transformações isobáricas, a pressão do sistema gasoso mantém-se 
constante. Dessa forma, a análise do que acontece é feita fazendo uso da Equação 
de Clapeyron (é valido salientar que o gás utilizado é perfeito como sistema físico 
intermediário): pV= nRT (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
 
2.1.4 Transformação adiabática 
As transformações adiabáticas, não há troca de calor entre o sistema e o meio 
externo. Sendo assim, toda a energia recebida ou doada pelo sistema ocorre por meio 
de trabalho. Onde, ΔU = -τgás (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
 
3. AS MÁQUINAS TÉRMICAS E A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 
 
Segundo Costa (2014, p. 30) “Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a 
quetem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata 
diretamente do rendimento das máquinas térmicas”. Logo, “São denominadas máquinas 
térmicas os dispositivos usados para converter energia térmica em energia mecânica” (BÔAS; 
DOCA; BISCUOLA, 2001, p. 143). 
Por meio de analises, Carnot desvendou que as máquinas térmicas apresentavam 
mais eficiencia quando ocorria transferência de calor da temperatura mais elevada para a 
temperatura mais baixa. Isso decorre continuamente nessa ordem, por fim a transferência de 
energia térmica é um processo irreversível. Logo, implica que o trabalho depende da 
transferência de energia térmica, sendo importante salientar que não é possível transformar 
todo calor em trabalho. Fundamentando-se nas ideias de Carnot, que Clausius e Kelvin 
basearam seus estudos sobre a Termodinâmica (CHAVES. 2007). 
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Os respectivos enunciados ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, sendo eles de 
Clausius e Kelvin-Planck: 
Enunciado de Clausius: “O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um 
corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta”. 
Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha 
um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma 
quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo (COSTA, 
2014, p. 30). 
Enunciado de Kelvin-Planck: “É impossível a construção de uma máquina 
que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de 
calor recebido em trabalho”. Este enunciado implica que, não é possível que 
um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que 
seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho 
efetivo (COSTA, 2014, p. 30). 
Existem duas fontes térmicas, a fonte quente e a fonte fria. Entre elas colocam-
se a máquina térmica. Um fluido operante, serve de veículo para a energia térmica 
que sai da fonte quente, passa pelo dispositivo intermediário, que utiliza parte dessa 
energia na realização do trabalho, e leva o restante para fonte fria (BÔAS; DOCA; 
BISCUOLA, 2001). 
A quantidade QA de calor que chega a máquina térmica, vindo da fonte quente, 
geralmente é obtida pela combustão do carvão, óleo, madeira ou mesmo por fissão 
nuclear, ocorrida nos modernos reatores nucleares. A conservação de energia garante 
que: τ = |QA| - |QB|, onde, τ = trabalho, QA: calor fornecido por aquecimento, QB: 
calor não transformado em trabalho (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
Segundo Nussenzveig (2014) A Segunda Lei da Termodinâmica lida com 
transferência de energia térmica. Isso significa que ela aponta as trocas de calor que 
têm tendência para igualar temperaturas diferentes, assim promovendo um equilíbrio 
térmico, o que acontece de forma espontânea. Seus princípios são: O calor é 
transferido de forma espontânea do corpo de maior temperatura para o de menor 
temperatura; todo processo tem perda porque seu rendimento sempre é inferior a 
100%. É expressa pela seguinte fórmula: η = QA - QB / QA, onde, η: rendimento, QA: 
calor fornecido por aquecimento, QB: calor não transformado em trabalho 
Visto que o rendimento de uma máquina térmica se define pela porção do calor 
recebido da fonte quente, que é usada para a realização de trabalho, temos: η=1-
|QB|/|QA| (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001). 
É importante observar que a máquina térmica ideal seria aquela que tivesse 
um rendimento de 100% (η = 1). Para que isso se concretizasse, a quantidade 
de calor rejeitada para a fonte fria deveria ser nula (QB = 0). Na prática, isso 
é impossível, pois a energia térmica QA somente sai da fonte quente devido 
a existência da fonte fria. (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2001, p. 145). 
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4.ENTROPIA 
 
Segundo Filho (2009) existe uma propriedade associada à Segunda Lei, esta 
propriedade é a entropia. Os processos que acontecem em um único sentido devem 
ser chamados de irreversíveis. O entendimento de por que processos unidirecionais 
não podem ser invertidos envolve uma grandeza conhecida como entropia. 
A entropia é uma grandeza ligada ao macroestado de um sistema, e que o torna 
dependente do número de microestados inseridos no referido macroestado. Quanto 
maior o número de microestados, maior a entropia (CHAVES. 2007). 
A entropia vai quantificar a qualidade da energia disponível. Onde, é dito que 
energia sob uma forma ordenada e energia térmica não são iguais. Assim. Pode-se 
facilmente converter energia ordenada em energia térmica, mas o contrário é bem 
mais difícil. Citando uma exemplificação, se atearmos fogo em um tronco de madeira, 
convertemos a energia química de ligação das moléculas em energia térmica das 
moléculas, mas é claro que recriar o tronco a partir da energia térmica das moléculas 
é impossível, mesmo que esteja mediante a lei de conservação da energia (FÍSICA, 
2012). 
Pode-se garantir que a entropia de um sistema isolado jamais decresce. 
Usualmente, a entropia é representada pela letra S. A definição matemática de 
entropia é a seguinte ( ∆s = ∆Q/T ) ou seja, a variação da entropia num certo processo 
é dada pela quantidade de calor fornecida de modo irreversível divido pela 
temperatura (em graus K) (FÍSICA, 2012). 
Quando se trata do calor transferido, como ele é o mesmo e as temperaturas 
são diferentes, a entropia sempre terá crescimento, pois o calor sempre flui de um 
lugar (ou um corpo) com temperatura superior para outro de temperatura inferior. 
Sendo o calor o mesmo, a entropia sempre cresce (FÍSICA, 2012). 
 
5. APLICAÇÕES 
 
Nos dias de hoje, muitas máquinas que fazem parte do nosso dia-a-dia operam 
segundo princípios termodinâmicos (automóvel, geladeira, caldeira, freezer, ar-
condicionado, entre outros). As aplicações da termodinâmica são diversas e, quando 
se trata da Segunda Lei e das máquinas térmicas, pode-se citar o exemplo do 
funcionamento da geladeira (POGLIA; STEFFANI, 2013). 
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A geladeira se tornou um eletrodoméstico indispensável nos lares. Os primeiros 
refrigeradores, semelhantes aos que temos hoje, surgiram na década de 1850, mas 
foi só no início do século 20 que eles começaram a ser adquiridos pelas famílias, para 
uso doméstico. Onde, Jacob Perkins foi responsável pelo patenteamento de um 
compressor que tinha a capacidade de fazer a água passar ao estado sólido, 
contribuindo para o surgimento da geladeira (POGLIA; STEFFANI, 2013; BÔAS; DOCA; 
BISCUOLA, 2001). 
O funcionamento da geladeira se dá através da transferência de calor de uma 
fonte fria para uma fonte quente. Logo, a geladeira operará em ciclos, utilizando-se 
um gás refrigerante num circuito fechado. Este fluido circula permanentemente, sem 
perdas, a não ser que ocorra um vazamento no aparelho. Para que esse processo 
aconteça é necessário a presença de uma energia (essa que vem na forma de 
trabalho que age através do compressor), uma vez que esse não ocorre de maneira 
natural (POGLIA; STEFFANI, 2013). 
Estando ciente de que a geladeira é portadora de uma fonte fria e outra quente, 
congelador e radiador, respectivamente e tem como fluído operante o freon, esse que 
vaporiza a baixa pressão no congelador e condensa a alta pressão no congelador, ou 
seja, o freon faz a retirada de calor do interior da geladeira quando se vaporiza no 
congelador e libera o calor para o ambiente através do radiador (BÔAS; DOCA; 
BISCUOLA, 2001). 
Sendo assim, temos os respectivos, compressor, válvula, radiador e 
congelador, como elementos principais em um mecanismo de funcionamento de uma 
geladeira (POGLIA; STEFFANI, 2013). 
Figura 1 – Sistema de refrigeração de uma geladeira POGLIA; STEFFANI, 
2013, p. 9). 
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REFERENCIA 
 
FILHO,W. B. Fenômenos de transporte para engenharia. O de Janeiro: LTC, 2006, 
481p. 
 
BÔAS, N. V.; DOCA, R. H.; BISCUOLA, G. J. Tópicos de física 2: termologia, 
ondulatória e óptica. 16. ed. São Paulo: Saraiva, 2001. 512p. 
 
COSTA, A. Y. Física. Juiz de Fora: Ufjf. 2014. 76p. 
 
MEDINA, M N.; NISENBAUM, M. A. A primeira lei da termodinâmica. Rio de Janeiro: 
PUC, 2009.41p. 
 
CHAVES, A. Física básica: gravitação, fluidos, ondas, termodinâmica. Rio de Janeiro: 
LTC, 2007. 530p. 
 
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de física básica, 2: fluidos, oscilações e ondas, calor. 
5. Ed. São Paulo: Blucher, 2014. 531p. 
 
APEOESP. Revista de física. Disponível em: 
www.apeoesp.org.br/d/sistema/publicacoes/150/arquivo/revista-de-fisica-1.pdf. 
Acesso em: 19 mai. 2017. 
 
POGLIA, R.; STEFFANI, M. H. Ensinando física térmica com um congelador. Porto 
Alegre: UFRGS, 2013. 55p. 
 
CEJARJ. Física: Entropia e a segunda lei da termodinâmica. Disponível em: 
http://cejarj.cecierj.edu.br/pdf_mod2/CN/Uni05_Mod2_Fis.pdf. Acesso em: 20 mai. 
2017.