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Perguntas Teóricas de Termodinâmica

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Perguntas Teóricas sobre Termodinâmica
PARTE 1
RAFAEL HENRIQUE GOMES SILVA
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1. Desenhe o Ciclo de Carnot nos diagramas PV e TS. Explique detalhada-
mente cada um dos processos
O Ciclo de Carnot pode ser descrito pelas seguintes etapas:
(a) O gás sofre uma Transformação Isotérmica, se expande e absorve a quan-
tidade de calor Q1 de uma fonte quente à temperatura T1;
(b) Após a transformação usotérmica, o gás sofre uma Transformação Adiabática
(sem trocas com o meio). Como se expande adiabaticamente, sua temperatura
cai para um valor T2;
(c) Em seguida, o gás sofre Compressão Isotérmica e libera uma quantidade de
Calor Q2 para a fonte fria à temperatura T2;
(d) Finalmente, retorna a condição inicial após sofrer uma Compressão Adiabática.
Durante esse ciclo, o gás interage com dois reservatórios e dá um Trabalho Positivo
Figura 1: Ciclo de Carnot no Diagrama PV
Teorema 1. Nenhuma máquina que opere entre duas dadas fontes, à temperaturas
T1 e T2, podem ter maior rendimento que uma máquina de Carnot operando entre
estas mesmas fontes.
No diagrama Temperatura-Entropia, o Ciclo de Carnot é representado por um
retângulo, cujas arestas representam os processom que serão descritos a seguir:
� A-B) Processo Isotérmico Reserśıvel de fornecimento de calor à T1
� B-C) Processo Expansão Adiabático e Reverśıvel (Isoentrópico)
� C-D) Processo Isotérmico Reverśıvel de rejeição de calor à T2
� D-A) Processo de Compressão Adiabático e Reverśıvel (Isoentrópico)
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Figura 2: Ciclo de Carnot no Diagrama TS
2. Quem é maior Cp ou Cv? Justifique.
A Capacidade Caloŕıfica (C), (J/molk) de um material é a quantidade de energia
requerida para provocar a variação de temperatura do material. Passa a ser chamado
de Calor Espećıfico (c), quando a unidade for (J/kgk)
Cp é maior, porque na transformação a volume constante, a energia fornecida ao
gás é usada apenas para aumentar a temperatura, enquanto que na transformação
a pressão constante, além de aumentar a temperatura, a energia é utilizada também
para realização de trabalho.
3. Qual a diferença entre Calor e Temperatura
O Calor descreve a transferência de Energia Térmica entre as moléculas de um
sistema e é medido em Joule (J). Também pode ser definida como a energia em
trânsito que flui de um sistema para outro, em virtude apenas de uma diferença de
temperatura.
Temperatura descreve a Energia Cinética Média das moléculas dentro de um ma-
terial ou sistema e é medida em Celsius (◦C), Kelvin (K), Fahrenheit (◦F)
4. Comente sobre o gráfico PV da água , o Ponto Tŕıplice e cada Fase
Imagine que uma certa quantidade de água é coloca em um recipiente, do qual
se tenha extráıdo o ar, a agua evaporavá completamente e o sistema estará em
um estado de Vapor Não-Saturado. Se comprimirmos o vapor de pressão se
elevará até o ponto de Vapor Saturado. Ao continuar a compressão, produz-se
condensação, permanecendo constante a temperatura.
O segmento da reta BC, representa a Condensação Isobárica e Isotérmica do
vapor d’água, denominado Pressão de Vapor
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Figura 3: Diagrama PV da Água
Em qualquer ponto entre B e C, a água e o vapor estão em equiĺıbrio, no ponto C,
existe somente água no estado ĺıquido. CD é quase uma vertical, pois é necessário
um aumento de pressão muito grande para comprimir a água.
Em qualquer ponto de CD, água se encontra em fase ĺıquida, AB em fase de vapor,
BC existe um equiĺıbrio entre as fases ĺıquidas e de vapor.
A medida que a temperatura aumenta, alcança a Temperatura Cŕıtica, acima do
qual não existe mais nenhuma distinção entre ĺıquido e vapor, esse ponto se chama
Ponto Cŕıtico.
5. Fale sobre os enunciados de Kelvin/Clausius da Termodinâmica
Os dois enunciados falam da Segunda Lei da Termodinâmica, jáque esta tem
maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata do
rendimento das máquinas térmicas.
Enunciados de Clausius - ”O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um
corpo de temperatura menor para outro corpo de temperatura mais alta”
Isso implica que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para
a mais baixa, e que para o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo
realiza Trabalho no sistema.
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Enunciado de Kelvin-Planck - ”É imposśıvel a construção de uma máquina que
operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido
em Trabalho.”
Isso implica que não é posśıvel que um dispositivo térmico tenha um rendimento de
100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se
transforma em Trabalho efetivo.
6. Discorra sobre Capacidade Caloŕıfica e Calor Espećıfico
Se durante a absorção de Q unidades de calor um sistema experimenta uma variação
de temperatura Ti → Tf , define-se Capacidade Caloŕıfica (C) do sistema a razão:
C =
Q
Tf – Ti
(1)
Quando maior a Capacidade Caloŕıfica, menor a variação de temperatura e sendo
a Capacidade Caloŕıfica bastante grande, a variação de temperatura pode ser ser
muito pequena.
Um sistema cuja Capacidade Caloŕıfica é muito grande (teoricamente infinita) se
donomina Reservatório Térmico
Capacidade Caloŕıfica (C) também pode ser entendida como uma propriedade do
sistema.
Para se obter uma grandeza caracteŕıstica da substância, que não dependa da quan-
tidade da susbtância, definimos o Calor Espećıfico ou Capacidade Caloŕıfica
Espećıfica (c):
c =
C
m
(2)
podemos também reescrever da seguinte forma:
Q
m(Tf – Ti)
(3)
A Capacidade Caloŕıfica é caracteŕıstica do sistema, enquanto o Calor Espećıfico
caracteriza uma substância
7. Fale sobre o diagram PV do gás
Seja um sistema constitúıdo por um gás contido em um recipiente ciĺındrico provido
de um pistão. O sistema parte de um estado inicial (Vi, Ti, Pi) e evolui até um
estado final (Vf , Tf , Pf).
A questão de evolução do sistema do estado inicial para o estado final é chamado
de Processo Termodinâmico.
(a) A área sombreada representa o Trabalho (W) realizado por um sistema quando
ele vai de um estado inicial i para um estado final f. O Trabalho é positivo, pois
o volume do sistema aumenta;
(b) O Trabalho ainda é positivo, mas agora é maior;
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(c) O Trabalho ainda é positivo, mas agora é menor;
(d) O Trabalho pode ser ainda menor.
Figura 4: Diagrama PV do Gás
8. Qual grandeza se conserva quando sistemas térmicos são postos em con-
tato.
As principais definições de grandezas termodinâmica constam de suas leis.
� Lei Zero - é a que define a temperatura;
� Primeira Lei - é a do Prinćıpio da Conservação da Energia;
� Segunda Lei - define Entropia e fornece regras para convervação de energia
térmica em trabalho mecânico;
� Terceira Lei - aponta limitações para a obtenção do zero absoluto.