Leis da Termodinâmica

Prévia do material em texto

LEIS DA 
TERMODINÂMICA
PROFA. SUBÊNIA MEDEIROS
James Joule e outros cientistas mostraram que a energia pode
ser adicionada (ou removida) de um sistema, ou por calor, ou
por trabalho.
Antes da Termodinâmica
Com a Termodinâmica
A lei da conservação da energia parecia descrever
somente certos tipos de sistemas mecânicos.
O conceito de energia foi ampliado para incluir a energia interna
e essa expansão da conservação da energia é chamada de
Primeira Lei da Termodinâmica.
A Termodinâmica – estudo das relações envolvendo Calor, Trabalho Mecânico e Transferência 
de Energia.
Sistemas Termodinâmicos
-> Conjunto de objetos encarados como um único conjunto, que podem trocar energia com o 
ambiente.
-> É fundamental definirmos inicialmente a composição do sistema termodinâmico. Isso
garantirá que descreveremos de forma correta a transferência de energia entre o sistema
termodinâmico e o seu exterior.
Paredes que limitam o Sistema Termodinâmico:
Parede Móvel Parede Rígida Parede Adiabática
Estado e Processo Termodinâmico
Estado Termodinâmico de um sistema é definido pelos valores de suas
propriedades.
Função de Estado: 𝑓(𝑃, 𝑉, 𝑇)
Processo Termodinâmico: Sempre que duas ou mais propriedades de um
sistema variam, afirmamos que ocorreu um processo.
Fronteiras
𝑉, 𝑃, 𝑇
Lei Zero da Termodinâmica
Na situação em que um sistema A está a mesma temperatura que o sistema C, e o sistema B
também está a mesma temperatura de C, podemos afirmar que A e B estão a mesma
temperatura. Definindo assim, o estado termodinâmico chamado de EQUILÍBRIO TÉRMICO.
Trabalho realizado durante variação de 
volume
-> Trabalho realizado pelo sistema, W > 0;
-> Trabalho realizado sobre o sistema, W < 0;
Sistema
W > 0
W < 0
𝑊 = 
𝑉1
𝑉2
𝑃 𝑑𝑉
O trabalho realizado pelo sistema é dado pela área sob a curva pV. Ele pode ser positivo,
negativo ou nulo, dependendo do processo (caminho). Ou seja, trabalho não é uma variável de
estado.
𝑊 = 
𝑉1
𝑉2
𝑃 𝑑𝑉
Calor e Trabalho
O calor (Q) não é uma variável de estado
W > 0, Q > 0
W = 0, Q = 0
Calor é fornecido para o 
gás, que aumenta seu 
volume, realizando 
trabalho
𝑄 → Sistema, causa ∆𝑉
→ 𝑊
Q > 0 → calor que entra
no sistema
Q < 0 → calor que sai do 
sistema
Parede isolante
Posição final
Posição inicial
Q
Parede isolante
Membrana
VÁCUO
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
Há dois mecanismos pelos quais podemos alterar a energia
interna do sistema:
- Processos envolvendo a transferência de energia pela
realização de trabalho;
- Processos envolvendo a transferência de energia pela troca
de calor.
∆𝑈 = 𝑄
∆𝑈 = −𝑊
Energia Interna e Primeira Lei
Energia Interna (U) – É a energia associada ao movimento aleatório das moléculas, e pode ser
definida como a soma das energia cinéticas de todas as partículas e as energias potenciais de
todas as interações entre as partículas e o sistema.
Sabendo que uma transferência de calor causa uma mudança
no estado de um sistema:
Primeira Lei da Termodinâmica:
𝑄 → ∆𝑈 𝑄 → 𝑊
𝑄 = ∆𝑈 +𝑊
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊
↓
WQU 
Embora Q e W dependam do caminho escolhido, a quantidade 
Q – W é independente do caminho.
A energia interna (U) é uma variável de estado.
Q > 0  calor adicionado ao sistema (U aumenta)
Q < 0  calor retirado do sistema (U diminui)
W > 0  trabalho realizado pelo sistema (expansão) (U diminui)
W < 0  trabalho realizado sobre o sistema (compressão) (U aumenta)
Conservação 
de energia
Observações sobre a Primeira Lei da Termodinâmica:
• É uma Lei de Conservação da Energia;
•A Energia Interna não depende do caminho, ela só depende do estado inicial e final do sistema –
É UMA GRANDEZA DE ESTADO;
•A Energia Interna não deve ser vista como a energia mecânica microscópica;
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊
Q=150J W=100J
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊 = +50𝐽
Q=-150J W=-100J
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊 = −50𝐽
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊 = 0
Q=150J W=150J
Sistema
Sistema
Sistema
Processos cíclicos e sistemas isolados
Processo cíclico:
Sistema Isolado: Não troca calor nem realiza trabalho.
∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 = 𝑄 −𝑊
𝑄 = 𝑊
𝑈2 = 𝑈1
Para um processo cíclico:
Então:
𝑄 = 𝑊 = 0
∆𝑈 = 𝑄 −𝑊 = 0
Primeira Lei e os Processos 
Termodinâmicos
Processo adiabático: ∆𝑈 = −𝑊.
Processo isocórico: ∆𝑈 = 𝑄.
Processo isobárico: Em geral, ∆𝑈 ≠ 0, 𝑄 ≠ 0,𝑊 ≠ 0.
Processo isotérmico: Em geral, ∆𝑈 ≠ 0, 𝑄 ≠ 0,𝑊 ≠ 0. No entanto, a transferência de calor para
dentro ou para fora do sistema deve ser muito lenta para não causar variação na temperatura.
◦ Para um gás ideal, ∆𝑇 = 0, nesse caso, ∆𝑈 = 0. Todo calor é usado na realização de trabalho.
A energia interna de um gás ideal depende somente da sua 
temperatura, não depende do volume nem da pressão.
Transformação
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Estado 1 Estado 2Transformação
Variáveis de 
estado
Variáveis de 
estado
“Caminho” descrito pelo sistema na 
transformação .
Processos
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura constante
Isobárico Pressão constante
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
Em um processo isovolumétrico, todo calor recebido ou cedido (Q)
pelo gás será transformado em variação da sua energia interna (∆U) .
Como não há variação de volume, também não há realização de
trabalho (W).
Calor recebido
Calor cedido
Processo Isovolumétrico
1ª Lei da Termodinâmica
W = 0
∆V = 0
Transformação de 1 → 2
Volume invariável
Isovolumétrica
Processo isovolumétrico ou isocórico - Transformação a volume 
constante.
U = Q - W
U = Q 
Em um processo isotérmico,, todo calor (Q) trocado pelo gás ideal,
recebido ou cedido, resultará em trabalho (W). Uma vez que não há
variação de temperatura, também não há variação de energia interna
(∆U).
Calor Recebido
Calor cedido
Processo Isotérmico
1ª Lei da Termodinâmica
Q = W
∆U = 0 → ∆T=0
Processo Isotérmico - Transformação de um gás ideal, a 
temperatura constante.
Em um processo adiabático,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com
seu entorno. Assim, todo trabalho (W) realizado pelo gás (W>0) ou
sobre o gás (W<0) resultará na variação de energia interna (∆U).
Quando o trabalho é positivo (realizado
pelo gás) observamos uma diminuição da
temperatura. Quando o trabalho é
negativo (realizado sobre o gás)
observamos um aumento na temperatura.
Processo Adiabático
Movimento rápido do êmbolo.
Q = 0
Primeira Lei da Termodinâmica
∆U = Q – W
Q = 0 
∆U= - W
Q = 0
O processo ocorre tão 
rapidamente que o 
sistema não troca calor 
com o exterior.
 Quando sistema passa por uma expansão adiabática, sua temperatura
diminui.
 Quando sistema passa por uma compressão adiabática, sua temperatura
aumenta.
Processo adiabático – O sistema está isolado de qualquer troca de
calor ou matéria com um meio externo.
3.- Wciclo = W = área 12341
Wciclo > 0 → Qciclo  0
O sentido do ciclo no diagrama PV: horário. 
O sistema recebe Q e realiza W 
1a Lei da Termodinâmica
∆Uciclo = Qciclo - Wciclo
Qciclo = Wciclo
1.- ∆Uciclo = ∆U = 0
2.- Qciclo = Q
Processo Cíclicos - Estado inicial é igual ao Estado Final. 
Processos Cíclicos
Resumo
Q = W: É realmente possível?
Analisemos um processo cíclico de uma máquina térmica:
◦ Máquina térmica – qualquer dispositivo que transforma calor parcialmente em trabalho ou em energia 
mecânica. 
∆𝑈 = 0 𝑀á𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑚 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑐í𝑐𝑙𝑖𝑐𝑜
Máquina Térmica
𝑄 = 𝑄𝑄
𝑊 = 𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
𝑒 =
𝑊
𝑄𝑄
=
𝑄𝑄 − 𝑄𝐹
𝑄𝑄
𝑒 = 1 −
𝑄𝐹
𝑄𝑄
Eficiência de uma Máquina 
Térmica operando entre dois 
reservatórios de calor
A eficiência da Máquina Térmica é dada por:
Enunciado de Kelvin-Planck para a 2ª Lei
É impossível realizar uma série de processos cujo único resultado seja a transferência de calor 
de um reservatório térmico e a sua completa conversão em trabalho.
Não existe Máquina Perfeita!
Enunciado de Clausius para a 2ª Lei
É impossível realizar uma série de processos cujo únicoefeito seja a transferência de calor de 
um reservatório frio para um reservatório quente.
Deve existir um agente 
responsável por essas 
proibições?!
É impossível que o único efeito seja transferir calor de um
reservatório frio para um reservatório quente.
É impossível que o único resultado seja converter calor
totalmente em trabalho.
Algo que diga o sentido 
que os fenômenos 
devem acontecer...
...Algo que está 
relacionado com a 
energia que não foi 
convertida em 
trabalho...
ENTROPIA
Entropia?
O conceito de Entropia está relacionado com o grau de desordem de um sistema. Quanto maior 
for a desordem, maior a entropia.
A Entropia é responsável por garantir que todos os processos naturais sejam irreversíveis.
Processos reversíveis são ideais, onde o sistema está sempre próximo do equilíbrio
termodinâmico com as vizinhanças e no interior do próprio sistema. Por esta razão, dizemos que
os processos considerados reversíveis devem ser quase estáticos.
Se um processo ocorre em um sistema fechado a entropia do sistema aumenta, se o processo
for irreversível, e permanece constante se o processo for reversível. ENTROPIA NUNCA
DIMINUI.
O Ciclo de Carnot
- A segunda Lei afirma que nenhuma máquina térmica pode ter rendimento de
100%.
- O ciclo de Carnot define uma máquina térmica ideal, operando entre dois
reservatórios, um quente e um frio.
- O objetivo da máquina de Carnot é obter o maior rendimento possível.
- Todo processo irreversível deve ser evitado.
- No ciclo de Carnot não deve existir nenhuma diferença de temperatura finita
(não deve haver fluxo de calor durante os processos).
𝑄𝐴
𝑄𝐵
Entropia e processos reversíveis:
𝑄𝐴
𝑇𝐴
=
𝑄𝐵
𝑇𝐵
→
𝑄𝐴
𝑇𝐴
+
𝑄𝐵
𝑇𝐵
= 0
 
𝑑𝑄
𝑇
= 0
Esta relação apresenta a entropia de um processo cíclico e reversível.
A variação total de entropia durante qualquer ciclo reversível é igual a zero.
𝑄𝐴
𝑄𝐵
Entropia e processos irreversíveis:
∆𝑆 = 𝑆𝑓 − 𝑆𝑖 = 
𝑖
𝑓 𝑑𝑄
𝑇
> 0
Esta relação apresenta a entropia de um processo irreversível.
A variação total de entropia durante qualquer processo irreversível é sempre 
maior que zero.
∆𝑆 ≥ 0
𝑄𝐴
𝑄𝐵
Como:
E,
Para uma máquina térmica possuir rendimento de 100%, a temperatura do reservatório frio deveria 
ser 0K. Fato impossível de ser realizado. 
𝑄𝐴
𝑇𝐴
=
𝑄𝐵
𝑇𝐵
→
𝑄𝐵
𝑄𝐴
=
𝑇𝐵
𝑇𝐴
𝑒 =
𝑊
𝑄𝐴
=
𝑄𝐴 − 𝑄𝐵
𝑄𝐴
= 1 −
𝑄𝐵
𝑄𝐴
𝑒 = 1 −
𝑇𝐵
𝑇𝐴
Máquina de Carnot e o Zero Absoluto
O Ciclo Otto
Admissão isobárica (0-A);
Compressão adiabática (A-B);
Combustão isocórica (B-C);
Expansão adiabática (C-D);
Exaustão isobárica, abertura de válvula (D-A).
𝑄𝐶
𝑄𝐻
https://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_isob%C3%A1rica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_adiab%C3%A1tica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_isoc%C3%B3rica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_adiab%C3%A1tica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_isob%C3%A1rica
Ciclo Diesel
1-2: O ar é comprimido adiabaticamente até o ponto 2;
1-2: O ar é aquecido à pressão constante até o ponto 3;
3-4: O ar é expandido adiabaticamente até o ponto 4;
4-1: O ar é resfriado a volume constante até o ponto 1. 
Máquina de Stirling
Esse ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente reversíveis em série:
consiste em uma expansão isotérmica (processo AB), seguido de resfriamento a volume
constante (processo BC), uma compressão isotérmica (processo CD) e um aquecimento a
volume constante (processo DA).
𝑄𝐴
𝑄𝐵
𝑄
𝑄
Refrigeradores
Um refrigerador realiza trabalho para transferir calor de um reservatório de baixa temperatura 
para um outro com alta temperatura.
𝐾 =
𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑟𝑒𝑚𝑜𝑠
𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑔𝑎𝑚𝑜𝑠
𝐾 =
𝑄2
𝑊
=
𝑄2
𝑄1 − 𝑄2
O COEFICIENTE DE DESEMPENHO DE UM REFRIGERADOR 
ESTÁ RELACIONADO COM A RAZÃO:
𝑀á𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟