Primeira lei da termodinamica2

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PRIMEIRA E SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
DISCIPLINA: TERMODINÂMICA
PROF. MAURICIO ALVAREZ MUÑOZ
A estrutura da termodinâmica assenta em duas leis fundamentais.
Estas leis não se podem demonstrar; são axiomas. A sua validade é estabelecida com base no facto de a experiência não a contradizer, nem contradizer as consequências que dela se podem deduzir.
A 1ª lei da termodinâmica é relativa ao princípio de conservação de energia aplicado a sistemas fechados onde operam mudanças de estado devido à transferência de trabalho e de calor através da fronteira.
Permite calcular os fluxos de calor e de trabalho quando são especificadas diferentes variações de propriedades.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Exemplos:Trabalho necessário para comprimir uma dado 	fluido num compressor.
	Ciclo necessário para produzir vapor a uma dada 	pressão e temperatura numa caldeira
 
A 2ª lei da termodinâmica indica que quantidade de calor, geralmente produzida por uma turbina, pode ser convertida em trabalho (motor térmico, máquina térmica) ou indica que quantidade de trabalho deverá ser fornecida para se extrair uma dada quantidade de calor (máquina frigorífica)
Permite concluir que é impossível converter todo o calor fornecido a uma máquina térmica em trabalho; algum calor terá de ser rejeitado.
TRABALHO REALIZADO NA FRONTEIRA MÓVEL DE UM SISTEMA SIMPLES COMPRESSÍVEL (Processo quase-estático)
1
2
dL
A integração da equação do trabalho só é possível conhecendo-se a relação entre a pressão e o volume durante o processo.
TRABALHO REALIZADO NA FRONTEIRA MÓVEL DE UM SISTEMA SIMPLES COMPRESSÍVEL (Processo quase-estático)
As propriedades termodinâmicas são funções de ponto, ou em linguagem matemática, são diferenciais exatas, assim:
Como o trabalho depende do caminho (processo) escolhido, é considerado uma diferencial inexata, assim:
Trabalho Realizado devido ao Movimento de Fronteira de um Sistema Compressível Simples num Processo Quase-Estático. 
Vamos tirar um dos pequenos pesos do êmbolo provocando um movimento para cima deste, de uma distância dx. Podemos considerar este pequeno deslocamento de um processo quase-estático e calcular o trabalho, dW, realizado pelo sistema durante este processo. 
A força total sobre o êmbolo é P. A, onde P é a pressão do gás e A é a área do êmbolo. Portanto o trabalho W é: 
a)
b)
na compressão W < 0
na expansão W > 0
< 0
> 0
Correção da fórmula:
Esse trabalho é o realizado devido ao movimento de fronteira de um sistema compressível simples num processo quase-estático. 
O trabalho realizado devido ao movimento de fronteira, durante um dado processo quase-estático, pode ser determinado pela integração da Eq. 3.6. Entretanto essa integração somente pode ser efetuada se conhecermos a relação entre P e V durante esse processo. Essa relação pode ser expressa na forma de uma equação ou pode ser mostrada na forma gráfica .
Eq. 3.6.
Visualização do trabalho num processo quase-estático. 
No inicio do processo o êmbolo está na posição 1 e a pressão é relativamente baixa. Esse estado está representado no diagrama P x V como mostra a Figura5. No fim do processo, o êmbolo está na posição 2 e o estado correspondente do sistema é mostrado pelo ponto 2 no diagrama P x V. Se a compressão é um processo quase-estático e, durante o processo, o sistema passa através dos estados indicados pela linha que liga os pontos 1 e 2 do diagrama P x V. O trabalho realizado sobre o gás durante este processo de compressão pode ser determinado pela integração da Eq. 3.6, resultando: 
W12 < 0
W21 > 0
Uma nova consideração do diagrama P x V, conduz a uma outra conclusão importante. É possível ir do estado 1 ao estado 2 por caminhos quase-estáticos muito diferentes, tais como A, B ou C. Como a área sob a curva representa o trabalho para cada processo é evidente que o trabalho envolvido em cada caso é uma função não somente dos estados iniciais e finais do processo, mas também, do caminho que se percorre ao ir de um estado a outro. 
Por esta razão, o trabalho é chamado de função de linha, ou em linguagem matemática, W é uma diferencial inexata, diferente das diferencias exatas que dependem apenas do estado inicial e final ,como veremos é o caso da energia cuja diferencia é indicada como dE.
Trabalho num processo quase-estático. 
Trabalho processos quase-estáticos de transformação. 
1-A relação entre P e V pode ser dada em termos de dados experimentais ou na forma gráfica. Neste caso podemos determinar a integral da Eq. 3.7 por integração gráfica ou numérica. 
2-A relação entre P e V é tal que seja possível ajustar uma relação analítica entre as variáveis e, assim, é possível fazer diretamente a integração da expressão.
Processo quase-estático a pressão constante (isobárico).
	 
Trabalho processos quase-estáticos de transformação. 
Processo a temperatura constante (isotérmico) 
Processo politrópico 
Processo politrópico 
Note-se que este resultado é válido para qualquer valor do expoente n, exceto n = 1. Para n = 1, tem-se; 
OUTRAS FORMAS DE TRABALHO EM SISTEMAS
Trabalho Elétrico
Trabalho ao Esticar um Fio
Trabalho em uma Película
CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE TRABALHO
Calor 
Calor é definido como sendo a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema a uma dada temperatura, a um outro sistema (ou meio ) numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre os dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema de maior temperatura ao sistema de temperatura menor e a transferência de calor ocorre unicamente devido à diferença de temperatura entre os dois sistemas. 
Um outro aspecto dessa definição de calor é que um corpo ou sistema nunca contém calor. 
Calor só pode ser identificado quando atravessa a fronteira. Assim o calor é um fenômeno transitório. 
Assim como o trabalho as unidade de calor são o JOULE (J), no sistema internacional de unidades, mas utiliza-se freqüentemente a CALORIA (cal).
Há muita semelhança entre calor e trabalho, que passaremos a resumir: 
O calor e o trabalho são, ambos, fenômenos "transitórios". Os sistemas nunca possuem calor ou trabalho, porém qualquer um deles ou, ambos, atravessam a fronteira do sistema, quando o sistema sofre uma mudança de estado. 
b) Tanto o calor como o trabalho são fenômenos de fronteira. Ambos são observados somente nas fronteiras do sistema, e ambos representam energia atravessando a fronteira do sistema. 
c) Tanto o calor como o trabalho são funções de linha e têm diferenciais inexatas. 
Comparação entre Calor e Trabalho
CALOR
Caso não haja transferência de calor do ou para o sistema dizemos que o sistema é ADIABÁTICO.
Analogamente ao trabalho, o calor depende do processo adotado para se sair do estado inicial para o estado final, ou seja, o calor é uma diferencial inexata e, conseqüentemente, não é uma propriedade termodinâmica.
CALOR
O calor transferido por unidade de tempo é representado por:
Em alguns casos práticos, costuma-se representar o calor por unidade de massa. Assim:
MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Condução:
É a transferência de calor que ocorre entre moléculas vizinhas. As moléculas com maior energia transmitem CALOR para as moléculas vizinhas com menor energia e assim sucessivamente.
A condução é característica de sistemas sólidos.
MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Convecção:
É a transferência de calor que ocorre quando o meio está escoando. Na convecção o movimento do meio desloca matéria, que apresenta certo nível energético, sobre uma superfície que apresenta uma temperatura diferente da do meio que escoa.
Radiação:
Nessa modalidade, o calor é transmitido através de ondas eletromagnéticas. O calor por radiação pode ser transferido pelo vácuo, não necessitando de um meio material para que isso ocorra. Entretanto necessita de uma fonte emissora e receptora.
COMPARAÇÃO ENTRE CALOR E TRABALHO
Calor e trabalhosão energias transitórias e fenômenos de fronteira.
SISTEMA
TRABALHO
CALOR
CALOR
TRABALHO
(+)
(+)
(-)
(-)
Outras unidades são freqüentemente usadas, tais como aquelas do sistema prático inglês e do sistema prático métrico, respectivamente, BTU (British thermal units) e a kcal (quilocaloria)
1 kcal = 4,1868 kJ 1 BTU = 1,0553 kJ
1 kcal = 3,96744 BTU
1 kw = 860 kcal / h = 3 412 BTU / h
1 hp = 641,2 kcal / h = 2 545 BTU / h
EnergIa interna (U)
È a energia que possuem todos os corpos. Está associada aos átomos e moléculas que a formam.
	As contribuições a energia interna são:
 
Energia dos átomos (eléctron e o núcleo)
Energia química (das ligações atômicas que formam as moléculas) 
Energia cinética (microscópica) dos átomos e moléculas
Energia potencial (microscópica) da interação entre as moléculas
A energia interna é a soma das contribuições diferentes de energia potencial e cinética, que incluem o potencial de translação, rotação, vibracional, electrónica, nuclear e contribuições da massa.
Considere um sistema em um estado termodinâmico inicial I (determinado por suas variáveis Ui, Ti, Pi e Vi), que é levado a um estado termodinâmico final F (determinado por suas variáveis Uf, Tf, Pf y Vf), através de um ou mais processos termodinâmicos, de modo que sua energia interna U possa variar:
Variação da energia interna
Función de energía interna
Primeira lei de la termodinâmica
É o princípio da conservação da energia aplicada a um sistema: energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra.
DEuniverso = DEsistema + DEambiente = 0
Función de energía interna
Primeira lei da termodinâmica
q = calor adicionado ao sistema
w = trabalho realizado nas imediações do sistema
DU = aumento da energia interna
DU = q + w 
Ambiente
- q 
+ q 
- w 
+ w 
Sistema
Processos adiabáticos
Um processo adiabático é um em que não há nenhuma troca de energia térmica q entre um sistema e seus arredores.
Da primeira lei: 
 DU= q + w 
Si q = 0 (processo adiabático),
 DU= 0 + w 
Assim, 
w = DU
Procesos isocóricos
Um processo Isocorico é aquele em que o volume do
sistema permanece constante.
Da primeira lei: 
DU = q + w 
Si W = 0 (processo isocórico) 
 DU = 0 + q
Portanto, DU = q
ProcesSos isotérmicos
Uma transformação isotérmica é um em que a temperatura do sistema permanece constante.
Da primeira lei: 
DU = q + w 
Si DU = 0 (processo isotérmico) 
0 =q + w 
Portanto, q =- w 
Processos isobárico
Um processo isobárico é aquele em que a pressão permanece constante.
Si P = constante: 
 w = -P DV
Portanto, 
DU = w + q
Processos isobárico
Processos à pressão constante e a função entalpia (∆H)
Se a pressão permanece constante (processo Isobárico) durante uma mudança de Estado, o trabalho realizado pelo sistema é dado por:
De acordo com a primeira lei da termodinâmica:
U2 – U1 = qp - P (V2 - V1)
 (U2 + PV2) - (U1 + PV1) = qp
Como (U + PV) contém apenas funções de Estado, a expressão resultante é também uma função de Estado. Este termo é chamado de ENTALPIA (ΔH):
H = U + PV
Processos isobárico
H = U + PV
A entalpia (simbolizada por ΔH, também chamada de conteúdo de calor) é a soma da energia interna do material e o produto do seu volume multiplicado pela pressão.
A mudança de entalpia durante um processo a pressão constante é igual ao calor absorvida ou liberada do sistema durante o processo.
Resumo dAS ecuaÇÕes 
Primeira Lei da Termodinâmica
W = -DU
Q = DU
Q = W
Processo isocórico
Processo adiabático
Processo isotérmico
Processo isobárico
Capacidade térmica ou calorica
 Essa variável física informa sobre a capacidade que tem um corpo para absorver energia térmica e sua consequente aumento de temperatura.
 Capacidade térmica é própria e característica de qualquer substância, pode ser medida e quantificada.
Suponha que dois corpos diferentes, recebendo uma certa quantidade de calor c. Pode ser verificado experimentalmente que um deles aumentará sua temperatura a t1 ° C, enquanto a outra será em t2 ° C
C
t1
C
t2
Expressão matemática
Resultados experimentais mostram que a capacidade térmica de uma substância pode ser expressa como:
C = q / t
 
Por exemplo, se as substâncias anteriores recebem 10 calorias, observamos aumentos de temperatura diferentes, então:
10cal
10cal
 t1
 20°C
 t2
 30°C
C = 10/20 
C =10/30
= 0,33 cal/°c
= 0,5 cal/°c
Eles têm diferente capacidade calorica
Calor específico
Quando consideramos a variável massa, a variável física que pode fornecer-nos informações relevantes, é chamado calor específico . Este novo conceito trás dois conceitos ou variáveis importantes, estas são; a massa e a capacidade térmica.
Pode ser verificado experimentalmente que em geral a capacidade térmica ou capacidade calórica para duas substâncias da mesma natureza, está sujeito à massa que cada um deles possui. 
Mesma
substância
m3
m2
m1
C1
C2
C3
 Definição:
 O calor específico indica a quantidade de energia sob a forma de calor, que deve dar-lhe a uma determinada substância, por unidade de massa, para aumentar a sua temperatura em 1 ° C. 
 Se un cuerpo de massa m, possue uma capacidad térmica (calórica) C, o calor específico “c” deste material é dada pela expressão:
SUBSTANCIA
CALOR ESPECÍFICO
 ( cal/ gr °C)
Agua
1.00
Gelo
0.55
Vapor de agua
0.50
Aluminio
0.22
Vidro
0.20
Ferro
0.11
Latón
0.094
Cobre
0.093
Prata 
0.056
Mercurio
0.033
0.031
 
 
Chumbo
Tabela com algumas constantes de calor específico
 Se definem dois tipos de capacidades calóricas: a volumen constante Cv e a pressão constante Cp.
	 CV = =  dU = CV dT
	
 CP = =  dH = CP dT
Para um gas ideal se cumple que cP - cV = R 
È chamado índice adiabático ( ) de um gas ideal ao quociente:
Para gases monoatómicos 
Para gases diatómicos 
Procesos adiabáticos reversibles 
A 1ª lei restringe as trocas de energia entre um sistema e sua vizinhança impondo a conservação da energia total.
• Há vários processos na natureza que não violam a 1ª lei e que não ocorrem espontaneamente. Por exemplo, ela não impede que o calor passe de uma fonte fria para uma fonte quente só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente quando se realiza trabalho sobre o sistema.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
O principal significado da 2a lei da termodinâmica é que ela estabelece a direção na qual ocorre um determinado processo. Além disso, define o motor térmico, o refrigerador e a temperatura termodinâmica.
Assim, por exemplo, uma xícara de café quente esfria em virtude da troca de calor com o meio ambiente, mas omeio não pode ceder calor para a xícara.
A primeira lei, como vimos, não impõe a direção do processo, apenas estabelece que em um processo cíclico o calor é igual ao trabalho.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Processos ocorrem em uma certa direção 
e não na direção inversa 
A 1a Lei trata da conservação de E, não fazendo restrições
Quanto à direção dos processos
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Ocorrência de processos: satisfazer a 1a e a 2a
Leis da termodinâmica
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Reservatórios Térmicos
Reservatório térmico: Corpo ao qual e do qual calor pode ser transferido indefinidamente sem mudança de temperatura do Reservatório
Fonte: retira-se de calor
Sorvedouro: recebe calor
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Motores térmicos
Trabalho pode ser facilmente
convertido em outras formas
de energia
W  U calor
Concepção de dispositivos 
especiais
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Motores térmicos
Receber calor de uma fonte a alto T
Converter parte deste Q em W
Rejeitar Q restante para sorvedouro (baixo T)
Operar em um ciclo
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Instalação motora a vapor
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Instalação motora a vapor
Cada componente da instalação:
Sistema aberto (regime permanente)
Em cor cinza: sistema fechado, 
em ciclo e então da 1a Lei:
(E = U =0)
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Eficiência térmica
Qout nunca é zero
Wnet,out < Qin
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Eficiência térmica
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Não rejeição de calor
Podemos retirar o condensador da planta e assim não rejeitar calor?
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Não rejeição de calor
Condições ideais: sem atrito, sem perdas, quase-estático
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Comentários
Todo motor térmico deve rejeitar alguma quantia de energia para o reservatório a baixa temperatura de forma a completar
o ciclo, mesmo em condições ideais de operação
A necessidade de que um MT opere, em ciclo,
entre dois reservatórios (pelo menos) é a base para 
o enunciado de Kelvin-Planck da 2a Lei
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Processo Reversível
Se é impossível construir um dispositivo térmico com rendimento de 100%. Qual será o máximo?
Processos reais e irreversibilidade
Processos reversíveis são idealizações que não podem ser realizadas na prática. Todos os processos reais são, em maior ou menor grau, irreversíveis. São origens da irreversibilidade.
Dissipação de trabalho em energia interna (atrito, turbulência, histerese, efeito Joule)
Desequilíbrio não resistido (ou não aproveitado): reações químicas espontâneas (queima de combustível), difusão molecular (solubilização), desigualdade de temperaturas, expansão não resistida de um gás.
Existem processos mais irreversíveis que outros. Pode-se quantificar as irreversibilidades. Para um dado efeito desejado, é sempre possível (termodinamicamente) optar por processos menos reversíveis.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
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MUCHAS GRACIAS
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