Resumão Termo

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Termodinâmica
Resumão das aulas
Metodologias de ensino: Aulas expositivas, teórica e 
prática. Conceitos, Leis e Aplicações 
Avaliação: 
1) Listas de exercícios 20% da nota - Período: abril
2) Prova Escrita 50% da nota - Período: Maio
3) Seminários, 30% da nota - Período: Junho
Prof. Rodney Nascimento
Termodinâmica Clássica
Conceitos e definições iniciais
Palavras - chave: 
Temperatura,
Calor, 
Trabalho,
Sistemas, 
Processos
Tecnologia
A termodinâmica:
 Se desenvolveu a partir da necessidade de melhorar o rendimento das 
primeiras máquinas a vapor.
 Descreve como os sistemas respondem a mudanças em suas vizinhanças. 
Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tópicos em ciência e 
tecnologia, como por exemplo, máquinas, transições de fases, reações 
químicas, fenômenos de transporte e buracos negros. 
 Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da 
física e da química, engenharia química, engenharia aeroespacial, 
engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica, ciências dos 
materiais e economia, 
Idéias sobre temperatura e calor
• Temperatura – movimento de partículas 
(átomos, moléculas) que constituem a matéria
Simulação de agitação térmica em um gás (www.labvirt.futuro.usp.br)
Estrutura da matéria
Nos sólidos:
Efeitos de temperatura nos estados mais íntimos da matéria
Transição de Fases e Mobilidade Atômica
E o que é Calor? • Energia em movimento
Como ele se 
manifesta?
Condução do calor
A LEI DA INDUÇÃO DE FARADAY
Convecção do calor
Exemplos de propagação do calor por convecção)
Efeito da convecção do calor nas brisas marítimas
Radiação do calor
É a única forma de propagação de calor que pode ocorre no vácuo!
 http://www.youtube.com/watch?v=NyOvwyM67ek&feature=player_embedded#at=559
Processos
B
B
“Se a carga q for negativa, o sentido da força magnética será contrário 
àquele que é observado para a carga positiva”
Escalas Termométricas
Relação entre as escalas termométricas
Resultados de análises térmicas mostrando processos 
exotérmicos e endotérmicos (linha vermelha) assim 
como a perda de átomos no material em função do 
trabalho realizado na mudança de fase (linha azul)
400 600 800 1000 1200 1400
96,5
97,0
97,5
98,0
98,5
99,0
99,5
100,0
100,5
400 600 800 1000 1200 1400
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
 T
G
 (%
)
 
T (K)
 
Exo
 
D
TA
 (
V/
m
g)
Tecnologia 
Sistema Mecânico Termicamente Ativado
Bombas de vácuo, Sistemas de Tratamentos Térmicos e Evaporadoras
Exercícios propostos
 Duas soluções A e B de mesmos volumes e massas são 
colocadas para entrar em ebulição... A sala X indicava uma 
temperatura distintas do ambiente... 
 O sêmen bovino para inseminação artificial é conservado em 
nitrogênio líquido, que, à pressão normal, tem temperatura de 
78 K. Qual seria o valor de temperatura nas escalas Celsius e 
Fahrenheit?
Dilatação Térmica
Dilatação térmica para materiais com diferentes dimensões
Exercício proposto
 Num dia quente, um caminhão tanque foi 
carregado com 10000 galões de combustível 
e viajou até uma região,onde seria entregue, 
em que a variação de temperatura foi de 
aproximadamente 20°C. Sabendo que o valor 
do combustível é R$ 2,05 o litro e que cada 
galão cabe 5 litros, estime o lucro ou o 
prejuízo da fornecedora de combustível em 
função desta variação de temperatura 
Diversas pesquisas no mundo utilzam conceitos de 
física térmica para caracterização experimental
O estado térmico das partículas influenciam 
diversos fenômenos físicos!
Formação de supercorrentes elétricas em 
supercondutores de acordo com a vibração térmica da 
rede
Simulação do modelo de formação dos “Pares 
de Cooper”. 
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Fabiano/su
percondutores.htm.
E a mais famosa tecnologia:
Atalho para Deutz Engine.lnk
A termodinâmica permite determinar a direção 
na qual vários processos irão ocorrer !
Unidades da Termodinâmica
Próxima aula:
 O calor pode ser absorvido por uma substância 
sem que esta mude a temperatura? Por quê? 
 Discutir o processo pela qual a água congela
Para pensar:
 1ª Lei da Termodinâmica
 1º Debate Científico 
Obrigado pela atenção!
Exercícios Propostos
Q = mcΔT
É possível quantificar o calor?????
 Diagrama de Fases é a representação dos estados da 
matéria a partir de variantes físicas 
 Representação da mudança de fase de uma substância
A matéria se transforma
 Diagrama de Fases Temperatura - pressão Diagrama de Fases tempo - temperatura
Lembrando: PV = nRT
É possível uma substância passar 
pelos três estados consecutivos sem 
mudar a temperatura?
Sim!
 Construção de diagramas de fases
Rodney Nascimento
rodney@fc.unesp.br
Modelo Cinético Molecular (continuação)
No estado gasoso, quais as propriedades das 
partículas durante um processo?
É possível descrever o comportamento de um sistema 
a partir da análise do comportamento molecular?
É possível entender a dinâmica das partículoas?
A partir do estado gasoso da matéria:
 Interpretação microscópica de eventos macroscópicos
Liberdade de movimento de suas moléculas
 Idéias Iniciais:
Desenvolvimento da Teoria
 Transformação Isotérmica  Boyle (1627-1691)  pV = cte
 Transformação Isobárica  Gay Lussac (1778-1850)  V/T = 
cte
 Informações sobre reações químicas (~ 1811)
 Lei de Avogadro (1776 – 1856) 
 Um mol é o número de átomos numa 
amostra de 12 g de Carbono
 Em 1 mol existem 6,02.1023 
entidades (átomos e/ou moléculas)
Lousa!
“Volumes iguais, de gases diferentes, à mesma temperatura 
e pressão, contém o mesmo número de moléculas 
existentes”
Características das partículas no estado gasoso
 Formado por muitas partículas de movimentos 
constantes e caóticos
 Forças de atração e repulsão são desprezíveis
 Os choques entre as partículas são considerados 
elásticos
 Obedecem a equação : PV = nRT
R = constante dos gases = 8,31 J/mol.K
Modelo Molecular
Leis até então obtidas experimentalmente
Relação com o comportamento das partículas?
 Suposições:
Distância média entre as moléculas >> dimensões de uma 
molécula
Moléculas do gás  movimentos constantes ao acaso (Mov. 
Browniano, )  diferentes valores de velocidade
Aplicação das Leis da Mecânica 
Assim, explicamos a pressão
 A pressão que um gás exerce sobre as paredes de um 
recipiente que o contém se deve às incessantes e 
contínuas colisões das moléculas do gás contra as 
paredes do recipiente
 Livre caminho médio é a 
distância média da partícula 
entre duas colisões sucessivas 
n=N/V
Interpretação Cinética da Pressão e Temperatura
Rever as descrições feitas em Lousa!
Problemas em sala
1. Por que a temperatura de ebulição de um líquido aumenta com a 
pressão? 
2. Os diâmetros moleculares para diferentes espécies de moléculas de 
gases podem ser medidos experimentalmente medindo-se as taxas com 
que os diferentes gases se difundem uns nos outros. Para o oxigênio 
com a = 2,9 x 10-10cm, qual é o livre caminho médio para o oxigênio à
temperatura ambiente e à pressão atmosférica?
3. Dez gramas de O2 são aquecidos de 27°C a 127°C à pressão 
atmosférica.
A) Qual a quantidade de calor transmitida para o oxigênio?
B) Que fração desse calor é gasto para aumentar a energia interna do 
oxigênio?
Conceitos: definição de estado, livre caminho médio e 
velocidade média quadrática da molécula
• Calor transferido para um sistema mantendo o volume 
constante
• A energia interna é dada pela energia total de 
translação das partículas para um gás monoatômico
Teorema da Equipartição de energia: 
cada grau de liberdade corresponde 
ao movimento segundo um eixo e 
cada eixo contribui com uma energia 
1/2kT
Influência da dinâmica 
molecular na energia interna 
de um sistema
Velocidades moleculares: 
Distribuição de velocidades de 
Maxwell-Boltzman
Para uma molécula diatômica:
Para uma molécula poliatômica:
 U = 5/2nRT
 U = 3nRT
É possívelentender e controlar a cinética dos das partículas 
para aplicação em pesquisas? 
Sim!!!
Como?
Aplicando os princípios da Termodinâmica! 
Ciência e Tecnologia 
Sistemas de Tratamentos Térmicos em Ultra-Alto-Vácuo fundamentados 
em Processos de Expansão Livre 
Discussão em grupo
 Duas salas de mesmo tamanho se comunicam por 
uma porta aberta. Entretanto, a média de temperatura 
nas duas salas é mantida a valores diferentes. Em 
qual sala há mais ar?
 Discuta o processo pelo qual a água congela, do 
ponto de vista da primeira lei da termodinâmica. 
Lembre-se que o gelo ocupa um volume maior do 
que a mesma massa de água
 Discuta o Efeito Leidenfrost e Movimento Bronwniano
Exercícios em sala de aula
1) Explique por que a temperatura de um gás diminui em uma expansão adiabática
2) Uma amostra de ar, que ocupa 0,14 m3 à pressão de 2.10E5 Pa, se expande 
isotermicamente até atingir a pressão atmosférica e é então resfriada, à pressão 
constante, até que retorne ao seu volume inicial. Calcule o trabalho realizado pelo ar.
3) Um gás poliatômico possui cv que corresponde a 5R graus de liberdade e está
inicialmente a 47°C. Quando este gás sofre uma expansão adiabática, seu volume 
atinge 2 vezes o volume inicial. Qual será a nova temperatura de equilíbrio?
4) Dez gramas de O2 são aquecidos de 27°C a 127°C à pressão atmosférica.
A) Qual a quantidade de calor transmitida para o oxigênio?
B) Que fração desse calor é gasto para aumentar a energia interna do oxigênio?
Obs: gás diatômico cp = 5/2R
rodney@fc.unesp.br
Princípios da segunda lei,
aplicações científica e tecnológica 
Princípios da Segunda Lei da Termodinâmica
 Algumas coisas acontecem numa certa seqüência e 
nunca poderiam acontecer espontaneamente na 
seqüência inversa.
 O mundo é cheio de eventos que acontecem em uma 
direção mas nunca oposta.
 Processo irreversível: o sistema e 
todas as partes de sua vizinhança 
não conseguem voltar ao estado 
inicial.
·
 Processo reversível: o sistema e 
todas as partes da sua vizinhança 
conseguem retornar exatamente 
ao estado inicial. 
Toda vez que existir um desequilíbrio entre 2 sistemas haverá a oportunidade de realização de trabalho. 
Se for permitido que os 2 sistemas atinjam o equilíbrio de forma não controlada, a oportunidade de 
realizar trabalho estará irremediavelmente perdida. 
Direção dos Processos
Os processos espontâneos possuem uma direção definida.: 
· Corpo quente - esfriamento - equilíbrio 
· Vaso pressurizado - vazamento - equilíbrio 
· Queda de um corpo - repouso 
Aspectos da 2a. lei
A 2a. lei e suas deduções propiciam meios para: 
1. Predizer a direção dos processos 
2. Estabelecer condições de equilíbrio 
3. Determinar qual o melhor desempenho teórico dos ciclos, 
motores e outros dispositivos 
4. Avaliar quantitativamente os fatores que impedem que esse 
melhor desempenho seja atingido 
Não é possível transformar calor completamente 
em trabalho com nenhuma mudança ocorrendo no 
sistema/ambiente.
 Segunda Lei da Termodinâmica ( Uma das Formas)
 Processo Isotérmico
 Energia Interna (gás ideal) depende somente da temperatura = energia interna = 0
 Transformamos calor completamente em trabalho?
Sim, mas com mudanças ocorrendo 
no sistema/ambiente.
Trabalho realizado enquanto as partículas se rearranjam exercendo 
forças para que o volume do sistema varie de Vi para Vf
O Trabalho realizado depende da transformação do sistema ou do 
caminho percorrido, assim, as partículas mudam seu estado físico
Num processo cíclico, as partículas retomam seus estados iniciais, 
mas como quantificar o balanço energético onde a variação da 
energia interna é zero?
 Para o gás retornar ao seu estado inicial (processo reversível) é
preciso operar em ciclos.
 Dispositivo = máquinas térmicas
 Princípio de um ciclo termodinâmico
Nenhuma máquina térmica, operando em ciclos pode retirar 
calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em 
trabalho
 Eficiência de uma máquina Térmica:
e= W/Qh
Conservação de energia: alimento – energia dos músculos – aquecimento –
movimento – atrito – resistência do ar - aquecimento do asfalto....
...mas existe uma variável no sistema que não é regida pela lei la
conservação de energia
Aplicação Científica/Tecnológica
Ciência  tudo o que nossa inteligência possa produzir
Pensamento expresso e aplicado  Tecnologia 
Ciclos Termodinâmico em uma máquina real
Atalho para Deutz Engine.lnk
ENTROPIA
 A segunda lei da Termodinâmica, surge a partir da tentativa 
de solucionar a “falha” da primeira, determinando o sentido 
da evolução dos processos. 
 Essa lei pode ser formulada em termos da entropia. A 
entropia de um sistema isolado nunca decresce: não se 
altera nos processos reversíveis e aumenta nos processos 
irreversíveis que ocorrem dentro do sistema.
 O estado de equilíbrio termodinâmico do sistema é o 
estado de máxima entropia 
A variação de entropia de um estado 1 para um estado 2 a partir 
de um processo isotérmico,pode ser definida por:
 Onde Q é reversível 
 T é uma isoterma (lembrar das discussões nos 
ciclos do diagrama PxV)
Entropia 
Uma equação fundamental para os sistemas termodinâmicos, sendo 
então possível, a partir desta e do formalismo matemático inerente à
termodinâmica 
Quando expressa em função da entropia S, número de elementos N, 
e da pressão P - para o caso de sistemas termodinâmicos mais 
simples - a entalpia H = H(S,P,N) 
Para obter-se qualquer informação física relevante para o sistema a 
qual esta encontre-se vinculada é possível uplicar as 
Transformadas de Legendre, são elas:
Energia livre de Helmholtz F = F(T,V,N) , a Energia livre de Gibbs
G = G(T,P,N) e a energia interna E = E(S,V,N),