Leis da Termodinâmica apresentação

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Leis da Termodinâmica
• A Termodinâmica é a parte da Física que estuda os fenômenos
relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que
governamos processos de conversão de energia.
• Energia pode ser vista como a capacidade de realizar um trabalho ou
a capacidade de realizar mudanças nos sistemas.
• Os gases proporcionam a troca de energia entre o interior e o exterior
da máquina, o sistema termodinâmico é composto de três partes, a
fonte de calor, a máquina realizando movimento e o meio externo.
Primeira Lei da Termodinâmica
• Fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de
energia. É o princípio da conservação da energia, agora familiar,:“ A
energia do Universo é constante".
• Estabelece a variação da energia interna (Δ𝑈), de um gás ideal é
obtida pela diferença entre a quantidade de calor recebida do
ambiente externo ou fornecida para ele e o trabalho W realizado
nesse processo.
• ΔU = Q -W
Primeira Lei da Termodinâmica
• A lei menciona que a variação da energia de um sistema é igual a diferença 
entre a energia que nele entra e a energia que dele sai, tanto na forma de 
calor quanto na forma de trabalho.
• ΔU pode variar como resultado de:
• Trabalho,W, realizado sobre o sistema(ΔU > 0) ou pelo sistema (ΔU < 
0);
• Calor, Q, que entra(ΔU > 0) ou que sai do sistema(ΔU < 0).
• No que se refere a conservação de energia, a variação positiva da energia, 
pelo aumento da temperatura, quando a realização de trabalho:
• Q = ΔU + W
Primeira Lei da Termodinâmica
• Quando o calor é somente convertido em energia interna, não realiza 
trabalho:
• Q = ΔU 
Exercício
• 1- Um gás ideal contido num sistema de cilindro e embolo, recebe 
uma quantidade de calor igual a 5000 calorias e tem um aumento da 
energia interna de 1500 calorias, calcule o trabalho realizado:
• Dados:
• Q= 5000 cal 
• ΔU= 1500 cal
• W?= ?
• Formulário ΔU = Q -W
Exercício
• 2- Um gás ideal que está contido em um sistema de cilindro possui 10 
mols e sofre um aumento de pressão de 2 Pascal para 8 Pascal, 
volume constante de 4,15 𝑚3 e R= 8,3 J/mol.K.
a) A variação de pressão do gás?
b) A variação de temperatura?
c) A variação de energia interna?
d) A quantidade de calor trocada com o ambiente, lembrando que o 
volume é constante.
Dados e formulário
• Dados:
• R= 8,3 J/mol.k Pi= 2 Pa Pf= 8 Pa n= 10 mols V= 4,15𝑚3
• Formulários
• A) ΔP = Pf Pi
• B) ΔP.V = n.R. ΔT
• C) ΔU = 
3
2
. n.R. ΔT
• D) Q = W +ΔU considerando que o volume é constante
Tipos de Processos Termodinâmicos
São apresentados aqui quatro tipos de processos termodinâmicos (que
frequentemente ocorrem em situações práticas):
• Sem transferência de calor (adiabático);
•Volume constante (isocórico);
•Pressão constante (isobárico);
•Temperatura constante (isotérmico).
Processo Adiabático
–Não existe transferência de calor ou Q=0;
–Pode-se obter este processo isolando o sistema ou executando o
processo tão rápido que não existe tempo para que ocorra fluxo de
calor.
–Primeira lei aplicada no processo adiabático:
U2 – U1 = ΔU = -W
–Quando o sistema expande adiabaticamente, W > 0 (sistema faz
trabalho no meio ambiente);
–Quando o sistema é comprimido adiabaticamente, W < 0 (sistema
recebe trabalho do meio ambiente);
Processo Adiabático
• Exemplo:
–A fase de compressão em um motor de combustão interna é
aproximadamente um processo adiabático. Na compressão a
temperatura sobe;
–A expansão do combustível queimado na fase de produção de
trabalho leva a queda de temperatura.
Processo Isobárico
–É um processo com pressão constante. Nenhuma das três grandezas,
ΔU, Q ou W é zero. No entanto o cálculo de W é fácil:
W = p (V2 – V1)
A maioria dos processos de cozimento é 
isobárico, a pressão é constante e igual a 
atmosférica 
Processo Isotérmico
–É um processo com temperatura constante;
–Para que exista equilíbrio térmico, a troca de calor “para o” ou “do
sistema” deve ser suficientemente lenta. Em geral nenhuma das
grandezas U, Q ou W é zero num processo isotérmico;
–Em alguns casos especiais a energia interna do sistema depende
apenas da temperatura e não do volume ou pressão;
–Exemplo deste caso: gás ideal. Neste caso quando T é constante ΔU =
0 e Q = W. Qualquer energia que entra no sistema na forma de calor
sai na forma de trabalho;
Processo Isocórico
–O volume permanece constante e o trabalho W é zero. Logo:
U2 – U1 = ΔU = Q
–A energia adicionada na forma de calor permanece no interior do
sistema e aumenta sua energia interna;
–O aquecimento do ar num pneu é isocórico.
Processos cíclicos
• Caso no qual o sistema retorna ao estado inicial após percorrer um
dado caminho. Como o estado inicial é igual ao final, a variação total
da energia interna é zero.
• Se uma quantidade total de trabalho W for realizada pelo sistema
durante este processo, uma quantidade igual de energia deve ser
transferida para o sistema sob a forma de calor Q. Entretanto nem Q
nem W são iguais a zero.
• U2 = U1 e Q = W
Processos cíclicos
Exercício
• Um gás ideal sofre expansão adiabática realizando um trabalho igual a 
1000 joules.
• A) determine a quantidade de calor recebida pelo sistema;
• B)Calcule a variação da energia interna;
• Dados:
• W=1000 J
Formulário:
Q = W+ ΔU 
Exercício
• Um gás ideal com 6 mols recebe 6000 joules e realiza uma
transformação isotérmica segundo o gráfico p x V a seguir .
• Dados
• n=6 mols
• T=25 graus Celsius
• Q= 6000 J
Exercício
• A) Calcule o valor de X indicado no gráfico;
• p1 .V1= p2.V2
• B) Calcule o módulo do trabalho, considerando que a transformação
isotérmica mantém a temperatura constante, a energia interna
constante, a quantidade de energia recebida é transformada em
trabalho.
A Segunda Lei da Termodinâmica as Máquinas 
Térmicas 
A Segunda Lei da Termodinâmica
• Uma máquina térmica retira energia térmica (Q1) de uma fonte
quente (por exemplo: caldeira em alta temperatura), utilizando parte
desta energia na realização de trabalho (W), rejeitando o restante de
energia térmica (Q2) para a fonte fria (recipiente em baixa
temperatura).
• Podemos observar que sempre ocorre rejeição de energia para a
fonte fria, logo, é impossível construir uma máquina térmica que,
operando em ciclo, transforme integralmente a energia térmica
fornecida em trabalho.
Rendimento de uma Máquina Térmica 
• Para avaliar a eficiência de uma máquina térmica definiu-se o
conceito de rendimento, que é uma grandeza adimensional que varia
de 0 a 1.
• Este parâmetro determina quando a energia total fornecida é
convertida em energia útil(trabalho).
• 𝑛 =
𝑊
𝑄1
• 𝑛 = 1 −
𝑄2
𝑄1
Exercício 
• Uma máquina térmica opera com uma frequência 10 Hz, recebendo 
2000 kcal por ciclo, e realiza um trabalho igual a 1200 kcal. Calcule:
• A) O rendimento da máquina a cada ciclo;
• B)A Potência útil da maquina térmica; 
• Dado: 1 cal= 4,2 J f= 10 Hz W= 120 kcal
• Q1= 2000 kcal
• Formulário 𝑛 =
𝑊
𝑄1
P= W. f ΔE= 4,2 . P (conversão em J) 
Exercício
• Um motor de combustão interna, em cada ciclo de operação, absorve 
80 kcal da fonte quente e rejeita 60 kcal de calor da fonte fria.
• O rendimento desta máquina será:
• Formulário:
• τ = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓
• η=
τ
𝑄𝑞
Máquinas Térmica
• São dispositivos concebidos para converter calor em trabalho útil,
melhor dizendo, uma certa quantidade de energia na forma de calor
flui para um sistema (máquina térmica) em uma fração dessa energia
que entrou, saí do sistema em forma de trabalhomecânico.
Ciclo de Carnot
• A Necessidade de melhorar o rendimento das máquinas térmicas fez 
o francês Nicolas Sadi Carnot(1796-1832) propor um ciclo idealizado, 
posteriormente denominado ciclo de Carnot.
• A máquina de Carnot operaria em rendimento máximo sem perda de 
calor e a máquina poderia inverter o processo, tratava-se de uma 
idealização.
• Esta máquina operaria com um gás ideal, não com vapor de água 
como na maioria das máquinas térmicas, as transferência de calor 
deveriam se restringir aos momentos de contatos, seria controlar 
todas as etapas do ciclo.
Ciclo de Carnot
• O máximo de rendimento era obtido por uma máquina que resultaria 
do quociente da diferença da temperatura quente T1 e a 
temperatura fria T2.
• η=
𝑇1−𝑇2
𝑇1
• Para ter rendimento máximo e o valor unitário, T2 teria que ser 0, era
uma situação impossível de ser atingida, isso reafirma a
impossibilidade de uma máquina ter 100% de rendimento.
• O rendimento da máquina de Carnot serviu como referência para o
estudo termodinâmico e pode medir a eficiência das máquinas
térmicas.
Etapas do Ciclo de Carnot
Etapas do Ciclo de Carnot
• Etapa 1: O gás se expande isotermicamente ao receber calor da fonte 
externa;
• Etapa 2: O gás se expande adiabaticamente, diminuindo a 
temperatura até T2;
• Etapa 3: O gás sofre uma compressão isotérmica do meio exterior, 
continuando com uma temperatura igual a T2;
• Etapa 4: O gás sofre uma compressão adiabática, que aumenta a 
temperatura até a temperatura inicial. 
Refrigeradores
• São máquinas térmicas cuja função é retirar calor de uma fonte fria e
transmiti-lo a uma fonte quente. Para tanto, realiza-se um processo
não espontâneo de transmissão de calor por meio de um material de
operação que realiza trabalho entre uma fonte fria e uma fonte
quente.
• Ex: A geladeira realiza um ciclo fechado em que um material de
operação retira calor da parte interna da geladeira(mais fria) e o
entrega ao ambiente (mais quente).