Introdução à Termodinâmica

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Introdução à Termodinâmica
Sistema: é aquilo que queremos analisar.
Ex: copo com agua e gelo. Osistema é composto pelo copo, pela água e pelo gelo.
Vizinhança: é o que atua no sistema e o modifica.
Ex: o mesmo copo com agua e gelo é colocado sobre uma chama. A chama arua no sistema e o modifica.
Reservatorio térmico: um corpo de grande dimensões que não sofre mudanças de temperatura relevantes.
Ex: um lago. Se você jogar água fervente no lago, o lago, como um todo, não altera sua temperatura média.
Equilibrio termico: acontece quando as temperaturas se igualam.
Lei zero da termodinâmica
Suponha que dois corpos A e B estão em equilibrio térmico.
Supunha também que os corpos A e C estão em equilíbrio térmico.
Então a lei zero diz que os corpos B e C necessariamente também estão em equilibrio térmico.
Faz sentido, pois, se e . Então .
Dilatação Térmica
O aumento de temperatura em certos materiais causa uma dilatação, devido a essa variação de temperatura. Do mesmo modo, uma diminuição de temperatura causa contração de certos materiais.
Porque isso acontece?
O aumento da temperatura eleva a agitação das moleculas do material, fazendo com que ele se expanda. E a diminuição de temperatura, pelo mesmo raciocinio, causa o efeito contrário.
Dilatação linear:
 É o coeficiente de dilatação linear
É o comprimento inicial
Dilatação superficial: 
É o coeficiente de dilatação superficial
É a área inicial
Dilatação volumétrica: 
É o coeficiente de dilatação volumétrica
É o volume inicial
IMPORTANTE:
Exemplos:
Um engenheiro usa uma fita de aço de 50.000mm de comprimento a uma temperatura de 20°C. Qual é o comprimento da fita em um dia cuja temperatura é igual a 35ºC?
Um frasco de vidro com voluma igual a 200cm³ a 20ºC está cheio de mercúrio até a borda. Qual é a quantidade de mercúrio que transborda quando a temperatura do sistema se eleva ate 100ºC? Dados: 
Conceito de temperatura
A temperatura é uma medida estatística do nível de agitação entre moléculas, relacionado com o deslocamento da energia cinética de um átomo ou molécula.
Quanto mais agitadas estiverem essas moléculas, maior será sua temperatura.
Quanto menos agitadas essas moléculas, menor será sua temperatura.
Termômetro
O termômetro comum consiste em um liquido, em geral mercúrio ou álcool, que se expande em um tubo indicando a temperatura, após atingir o equilíbrio térmico entre o corpo a ser medido e o termômetro .
Escalas de temperatura 
A temperatura pode ser medida em diferentes escalas, as mais comuns são:
Celsius(°C) 
Ponto de fusão da água = 0oC
Ponto de ebulição da água = 100oC
Fahrenheit (°F) 
Ponto de fusão da água = 32°F
Ponto de ebulição da água = 212oF
Kelvin (K) 
Ponto de fusão da água = 273 K
Ponto de ebulição da água = 373 K
Como as três escalas termométricas são utilizadas em lugares diferentes, é interessante saber a forma de converter uma em outra. Para isso, basta utilizar a seguinte relação:
Relações simplificadas:
 
Variação de temperatura:
Exemplo: 
Considere um cubo de gelo, inicialmente à temperatura , que se transforma em agua e atinge uma temperatura . Expresse essas temperaturas em ºC e K, e calculenas duas escalas.
Temperatura e Calor
Calor (Q): é a energia transferida. É a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura.
O calor é positivo se a energia é transferida do ambiente para a energia térmica do sistema. (O calor é absorvido pelo sistema)
O calor é negativo quando a energia é transferia da energia térmica do sistema para o ambiente (O calor é cedido ou perdido pelo sistema)
Essa energia trocada deve-se a uma diferença de temperatura, que também pode ser trocado através da realização de um trabalho.
Como unidade de Calor tem-se a Caloria. Porém a unidade mais recomendada é o Joule. Lembrando que:
1 cal = 4,186J
1kcal = 1000cal = 4,186J
1Btu = 252cal =1055J
*A Absorção de calor por sólidos e líquidos:
Capacidade Térmica
Onde: 
C = Capacidade térmica (cal/°C);
Q = Quantidade de calor (cal);
ΔT = Variação de temperatura (°C ou K).
Calor especifico
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m = massa do corpo (g ou kg).
ΔT = variação de temperatura (°C).
Calor de transformação
Onde:
Q = quantidade de calor latente 
m = massa 
L = constante de proporcionalidade 
Calores de transformação
A matéria pode existir em três estados principais
Estado sólido: os átomos ou moléculas do material formam uma estrutura rígida através de sua atração mútua.
Estado liquido: os átomos ou moléculas tem mais energia e maior mobilidade. Formam aglomerados transitórios, mais o material não tem uma estrutura rígida e pode escoar em um cano ou se acomodar a forma de um recipiente.
Estado gasoso: os átomos e moléculas tem uma energia ainda maior, não interagem, a não ser através de choques de curta duração, e podem ocupar todo o volume de um recipiente.
Fundir um solido significa faze-lo passar do estado solido para o estado liquido. O processo requer energia porque os átomos ou moléculas do solido devem ser liberados se sua estrutura rígida. A fusão de um cubo de gelo para formar agua é um bom exemplo.
Solidificar um líquido é o inverso de fundir e exige a retirada de energia do liquido para que os átomos ou moléculas voltem a formar estrutura rígida de um solido.
Vaporizar um liquido significa faze-lo passar do estado liquido para o estado gasoso. Ferver a agua para transformá-la em vapor é um bom exemplo.
Condensar um gás é o inverso de vaporizar e exige a retirada de energia para que os átomos ou moléculas voltem a se aglomerar.
Calor e trabalho
Calor: É a energia em transito devido a uma diferença de temperatura.
Temperatura: é uma propriedade intensiva que é utilizado para definir o estado de um sistema e determina a direção no qual a energia é transferida com o calor.
Obs: O processo em que não há transferência de calor é chamado de adiabático.
Analisando o modo como a energia pode ser transferida em forma de calor e trabalho de um sistema para o ambiente e vice-versa.
Temos como nosso sistema um gás confinado em um cilindro com um êmbolo. Esse sistema tem como processo, levar o êmbolo do estado inicial ao estado final, é chamado de processo termodinâmico.
Após o aquecimento do gás, o gás tende à se expandir, realizando uma certa quantidade de trabalho W, fazendo que o embolo se levante.
Quando o gás de expande, permitindo que o êmbolo se mova para cima, temos uma força F atuante, que produz um deslocamento infinitesimal ds. Portanto:
W=Trabalho
P=Pressão do gás
A=Área do êmbolo
dV=Variação infinitesimal no volume do gás
Quando existir variação do volume do gás de vi para vf, o trabalho realizado pelo gás é:
Durante a variação de volume, a pressão e a temperatura do gás também podem variar. Para calcular diretamente a integral da equação acima, precisaríamos saber como a pressão varia como volume no processo através do qual o sistema passa do estado inicial para o final.
Na pratica, existem muitas formas de levar o gás do estado inicial para o estado final. Uma delas, está demostrado abaixo, que é o diagrama P-V.
A área entre as linhas pontilhadas representa o trabalho W, o trabalho é positivo porque o volume do sistema aumenta.
O trabalho continua a ser positivo mais agora é maior
O trabalho continua a ser positivo só que agora é menor.
Trabalho pode ser ainda menor com a trajetória (icdf) ou ainda maior com (ighf).
Nesse caso, o sistema vai do estado f para o i quando o gás é comprimido por uma força externa e seu volume diminui; o trabalho realizado pelo sistema é negativo.
 
O trabalho liquido realizado pelosistema durante um ciclo completo é representado pela área sombreada.
 Primeira lei da Termodinâmica
A grandeza Q-W representa a variação de uma propriedade intrínseca do sistema. Chamamos de Energia interna (Eint)
Se o sistema termodinâmico sofre apenas uma variação infinitesimal, podemos escrever a primeira lei na forma: 
Obs: A energia interna de um sistema tende a aumentar, se acrescemos energia na forma de calor Q, e a diminuir, se removemos energia na forma de trabalho W realizado pelo sistema.
*Alguns casos especiais da Primeira Lei de Termodinâmica 
Processos adiabáticos: processo em que acontece tão depressa ou em um sistema tão bem isolado que não há troca de calor entre o sistema e o ambiente. Fazendo Q=0 na primeira lei, obtemos: 
Processos a volume constante: se o volume de um sistema(como um gás) é mantido constante, o sistema não pode realizar trabalho. Fazendo W=0 na primeira lei, obtemos: 
Processos cíclicos: existem processos nos quais, após certas trocas de calor e de trabalho, o sistema volta ao estado inicial. Nesse caso, nenhuma propriedade intrínseca do sistema (incluindo a energia interna) pode variar. Fazendo , obtemos: 
Expansões livres: São processos adiabáticos nos quais nenhum trabalho é realizado. Assim Q=W=0, obtemos: