APS - FISICA ONDAS E CALOR - Leis da termodinamica

Prévia do material em texto

FMU - CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES METROPOLITANAS UNIDAS 
ENGENHARIA CIVIL 
 
 
 
 
 
 
LEIS DA TERMODINÂMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO PAULO – SP 
2020 
 
 
 
1 
 
 
 
 
 
 
LEIS DA TERMODINÂMICA 
 
 
APS – Atividade Prática Supervisionada da disciplina de Física, Ondas e Calor 
Mapa Conceitual das Leis da Termodinâmica 
Professora Francisca Souza 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO PAULO – SP 
2020 
 
 
 
 
 
 
2 
 
Sumário 
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 3 
 
ESTUDO DA TERMODINÂMICA ................................................................................................... 4 
LEIS DA TERMODINÂMICA .......................................................................................................... 5 
CONCEITOS RELACIONADOS À TERMODINÂMICA ..................................................................... 6 
APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA NA ENGENHARIA ............................................................... 8 
MAPA CONCEITUAL ..................................................................................................................... 9 
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 10 
 
 
 
 
 
3 
 
 
1 – INTRODUÇÃO 
 
A termodinâmica é o ramo da física que estuda os efeitos das mudanças de temperatura, 
pressão e volume de um sistema físico (um material, um líquido, um conjunto de corpos etc.), 
no nível macroscópico. A raiz "termo" significa calor e dinâmica se refere ao movimento; 
portanto, a termodinâmica estuda o movimento do calor no corpo. A matéria é composta de 
diferentes partículas que se movem de maneira desordenada. A termodinâmica estuda esse 
movimento confuso. 
 
A importância prática reside principalmente na diversidade de fenômenos físicos que descreve. 
Consequentemente, o conhecimento dessa diversidade resultou em enorme produtividade 
tecnológica. 
 
 
 
 
4 
 
 
2 - ESTUDO DA TERMODINÂMICA 
Os principais elementos que temos para estudar termodinâmica são: 
As leis da termodinâmica. Essas leis definem a maneira pela qual a energia pode ser trocada 
entre sistemas físicos na forma de calor ou trabalho. 
Entropia 
Entropia é uma magnitude que pode ser definida para qualquer sistema. Especificamente, a 
entropia define o distúrbio no qual as partículas internas que compõem a matéria se movem. 
Entalpia 
A entalpia é uma função de estado do sistema físico considerado. Na verdade, a primeira lei da 
termodinâmica, dependendo da entalpia, assume a forma dQ = dH - Vdp, ou seja, a quantidade 
de calor fornecida a um sistema é usada para aumentar a entalpia e realizar trabalhos externos 
- Vdp. 
Na termodinâmica, as interações entre vários sistemas termodinâmicos são estudadas e 
classificadas, levando à definição de conceitos como sistemas termodinâmicos e seu ambiente. 
Um sistema termodinâmico é caracterizado por suas propriedades termodinâmicas, 
relacionadas entre si pelas equações de estado. Eles podem ser combinados para expressar 
energia interna e potenciais termodinâmicos, úteis para determinar as condições de equilíbrio 
entre sistemas e processos espontâneos. 
Com essas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem às mudanças 
em seu ambiente. 
 
 
 
 
5 
 
 
3 - LEIS DA TERMODINÂMICA 
Os princípios da termodinâmica foram enunciados durante o século XIX, que regulam as 
transformações termodinâmicas, seu progresso, seus limites. Na verdade, são axiomas reais 
baseados na experiência na qual toda a teoria da termodinâmica se baseia. 
Em particular, três princípios básicos podem ser distinguidos, além de um princípio "zero" que 
define a temperatura e está implícito nos outros três. 
Princípio zero da termodinâmica 
A lei zero da termodinâmica afirma que, quando dois sistemas em interação estão em equilíbrio 
térmico, eles compartilham algumas propriedades, que podem ser medidas fornecendo-lhes um 
valor numérico preciso. Consequentemente, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico 
com um terço, eles estão em equilíbrio um com o outro e a propriedade compartilhada é a 
temperatura. 
Primeiro princípio termodinâmico 
A primeira lei da termodinâmica afirma que, quando um corpo entra em contato com outro 
corpo relativamente mais frio, ocorre uma transformação que leva a um estado de equilíbrio no 
qual as temperaturas dos dois corpos são iguais. 
O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação de energia. Em cada máquina 
térmica, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver uma 
máquina que produza trabalho sem consumir energia. 
Em resumo, o primeiro princípio termodinâmico é tradicionalmente afirmado como: A variação 
da energia interna de um sistema termodinâmico fechado é igual à diferença entre o calor 
fornecido ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema no ambiente. 
Segundo princípio termodinâmico 
Existem várias afirmações da segunda lei da termodinâmica, todas equivalentes, e cada uma das 
formulações enfatiza um aspecto particular. Primeiro, ele afirma que "é impossível fabricar uma 
máquina cíclica que tenha como único resultado a transferência de calor de um corpo frio para 
um corpo quente" (declaração de Clausius). 
Por outro lado, também pode ser afirmado, de maneira equivalente, que “é impossível realizar 
uma transformação cujo resultado é apenas o de converter o calor retirado de uma única fonte 
em trabalho mecânico” (afirmação de Kelvin). 
Terceiro princípio da termodinâmica 
O terceiro princípio das leis da termodinâmica está intimamente relacionado com o último e, 
em alguns casos, é considerado uma consequência do último. Nesse sentido, pode-se dizer que 
"é impossível alcançar o zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma 
definição precisa da magnitude chamada entropia. 
Além disso, a terceira lei da termodinâmica também afirma que a entropia para um sólido 
perfeitamente cristalino, na temperatura de 0 kelvin é igual a 0. 
 
 
 
6 
 
 
4 - CONCEITOS RELACIONADOS À TERMODINÂMICA 
No estudo da termodinâmica, aparecem diferentes conceitos que devem ser conhecidos: 
Sistema termodinâmico 
Um sistema termodinâmico refere-se a uma área limitada usada para pesquisa termodinâmica 
e é o objeto da pesquisa termodinâmica. O espaço externo do sistema termodinâmico é 
chamado de ambiente desse sistema. 
Os limites de um sistema separam o sistema do exterior. Esse limite pode ser real ou imaginário, 
mas o sistema deve ser limitado a um espaço limitado. O sistema e seu ambiente podem 
transferir matéria, trabalho, calor ou outras formas de energia no limite. 
Ciclo termodinâmico 
Na termodinâmica, um ciclo termodinâmico é um circuito de transformações termodinâmicas 
realizadas em um ou mais dispositivos destinados a obter trabalho de duas fontes de calor a 
diferentes temperaturas ou, inversamente, para produzir, através da contribuição do trabalho, 
a etapa de calor da fonte da temperatura mais baixa para a temperatura mais alta. 
O objetivo de um ciclo termodinâmico é obter trabalho de duas fontes térmicas a diferentes 
temperaturas, por exemplo, em uma instalação de energia solar térmica. O trabalho obtido é 
geralmente usado para produzir movimento ou gerar eletricidade. 
O desempenho é o principal parâmetro que caracteriza um ciclo termodinâmico. A eficiência 
térmica de um ciclo termodinâmico é definida como o trabalho obtido dividido pelo calor gasto 
no processo. 
Propriedades termodinâmicas 
Propriedades termodinâmicas são as propriedades que definem e intervêm no estado 
termodinâmico de um sistema. A termodinâmica é caracterizada por ter um estado de equilíbrio 
no qual pressão, volume, temperatura e composiçãoestão presentes. 
As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas como extensas ou intensivas. Entre 
essas propriedades estão energia interna, entropia, entalpia, calor, temperatura, pressão, 
volume, etc. 
Desempenho térmico 
A eficiência térmica ou a eficiência de uma máquina térmica é uma razão de coeficiente ou sem 
dimensão calculada como a proporção da energia produzida (em um ciclo operacional) e a 
energia fornecida à máquina (para que ela consiga concluir o ciclo termodinâmico). É designado 
com a letra grega η 
Dependendo do tipo de máquina térmica, a transferência dessas energias será feita na forma de 
calor, Q ou trabalho, W. 
Em 1824, o físico francês Sadi Carnot derivou a eficiência térmica para uma máquina térmica 
ideal em função da temperatura de seus reservatórios quentes e frios: 
 
 
 
7 
 
Eficiência termodinâmica 
onde: 
Th é a temperatura do reservatório quente; 
Tc é a temperatura do reservatório frio. 
 
Em conclusão, a equação da eficiência térmica sugere que níveis mais altos de eficiência são 
obtidos com um gradiente de temperatura mais alto entre fluidos quentes e frios. Na prática, 
quanto mais quente o fluido, maior a eficiência do motor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
 
5 - APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA NA ENGENHARIA 
As leis da termodinâmica foram importantes para nossa evolução. Como a evolução das 
primeiras máquinas a vapor, acarretando a evolução industrial, nos descobrindo de novos 
materiais e várias outras atividades. Hoje em dia usamos no nosso cotidiano e muita das vezes 
acabamos não percebendo, como no simples fato de uma panela pegar pressão ou até mesmo 
no motor de um automóvel, sempre a temperatura está presente. 
Na construção civil não é diferente, do começo ao fim, são utilizados a termodinâmica. Desde 
da preparação do terreno, com a medição da umidade do solo, aos tipos de maquinas que são 
utilizadas com motores e sistemas elétrico integrado como: 
Bombas de drenagem, bombas de recalque, sistemas de pressurização que integra sistemas de 
aquecimento (elétricos e solares), compressores, compactadores, geradores, furadeiras de alto 
impacto, máquinas para movimentação de terra, entre outros. 
Hoje também são utilizados vários tipos de isolantes térmicos e sistemas de aquecimento e 
resfriamento como por exemplo: 
Sistema de aquecimento para piso, muito utilizado em locais com revestimento em mármore, 
granito e porcelanato e mantas de isolamento térmico. 
 
 
 
 
9 
 
6 – MAPA CONCEITUAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fenômenos Térmicos 
Termodinâmica Teoria Cinética 
Equilíbrio Térmico 
Temperatura Entropia Calor 
Conservação da 
Energia 
Aumento da 
Entropia 
Capacidade Calor Trabalho Energia Interna Variável de Estado 
Máquinas 
 
 
10 
 
 
7 – BIBLIOGRAFIA 
 
pt.solar-energia.net (pesquisa realizada em 10/04/2020) 
Encyclopedia Britannica - Thermodynamics (en) (pesquisa realizada em 10/04/2020) 
Thermodynamics – Nasa (pesquisa realizada em 10/04/2020) 
Passeidireto.com (pesquisa realizada em 10/04/2020)