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 1824         1842          1845              1847



 Carnot       Mayer          Joule          Helmoltz
Máquinas   Equivalente   Equivalente       Formulação
 A vapor    Mecânico      Mecânico         Matemática
  2ª lei    3,56 J/cal    4,154 J/cal        da 1ª lei
                             1ª lei       Generalização
                                         da Conservação
                                           da Energia


 1850         1865          1900              1930


Clausius     Clausius       Nernst       Equilíbrio térmico
 2ª lei      Entropia     Entropia e o
                         Zero absoluto
                             3ª lei
Como se poderia aumentar o rendimento de uma
  máquina térmica, tornando-a o mais eficiente
                   possível?
Sadi Carnot (1796 - 1832)
•   Sistematizou a Termodinâmica,
    colocando limites físicos para a
    transformação de energia térmica em
    trabalho

•   Teoria do Calórico e a sua
    conservação (indestrutível)

•   Máquina a vapor reversível

•   Equivalente mecânico do calor:
    3,62J/cal

•   Esboça a possibilidade de
    transformações recíprocas das         1824
    diferentes formas de energia
Teoria do Calórico

Antoine Laurent Lavoisier considerava o calor como um fluído
      elástico, indestrutível e imponderável, designado por
   calórico. Um corpo mais quente tinha mais calórico do que
  um frio e os fenômenos térmicos explicavam-se por trocas de
   calórico entre os corpos. Esta teoria denominada Teoria do
  Calórico foi sendo posta em causa desde a sua apresentação.

   Só nos finais do século XVIII se pôs de parte esta falsa
           concepção, através de um jovem americano
    chamado, Benjamin Thompson , conde de Rumford. Os
   trabalhos de Rumford levaram à substituição da Teoria do
  Calórico pelo conceito de calor como energia em movimento.
“Ninguém ignora que o calor pode ser a causa do
 movimento. Que ele possui até uma grande potência
motriz: as máquinas a vapor, hoje tão espalhadas, são
uma prova eloquente para quem tiver olhos para ver.”

                                                Carnot
“É impossível extrair trabalho do calor, sem ao mesmo
            tempo, descartar algum calor”

                                                Joule
•   Carnot (1824) percebeu que o condensador era indispensável em um
    processo cíclico e que representava uma ineficiência intrínseca e
    irremovível do processo, já que parte do calor que a caldeira fornecia e
    que não se transformava em trabalho no pistão era transferida para fora
    da máquina. Parte do calor sempre sobrava e precisava ser retirada.

•   Após sua morte em 1832, surgiram várias notas, nas quais ele mostrava
    que tinha abandonado a teoria do Calórico e sugerido que na sua máquina
    o que se conservava era a energia e não o calor.

•   Mas já era tarde, Kelvin e Clausius tinham formulado precisamente o
    segundo principio da termodinâmica

•   A máquina de Carnot é a máquina ideal cujo rendimento não pode ser
    superado. Ela opera entre 2 reservatórios (máquina térmica + refrigerador)
    e consegue o rendimento máximo em vista das outros processos térmicos.
Mayer                                 Joule
•   Seus trabalhos teóricos       •   Seus trabalhos experimentais
    introduziram claramente a         definiram precisamente o
    noção de equivalência entre       equivalente mecânico de calor.
    calor e trabalho
                                  •   Derrubou a teoria do calórico
•   Equivalente mecânico do
    calor: 3,56 J/cal             •   O calor era conservado e devia ser
                                      uma forma de energia

                                  •   Que o calor e a energia mecânica
                                      podem ser considerados
                                      manifestações diferentes da mesma
                                      quantidade física: a energia

                                  •   Teoria da Conservação da Energia
                                      (Lorde Kelvin, 1851)
1ª Lei da Termodinâmica


 U = Q - 
Onde:
Q  Quantidade de Calor
  Trabalho
U  Variação da energia interna
U = Q - 
 U > 0          Q>0           >0
T aumenta     recebe calor    expansão
                              Perde EM
 U < 0         Q<0            <0
T diminui     perde calor    compressão
                              Ganha EM
  U = 0        Q=0             = 0
T constante   adiabática     Isométrica
“[...] chegamos a conclusão de que a natureza como um todo
       possui um estoque de energia que não pode de forma
   alguma ser aumentado ou reduzido; e que, por conseguinte,
        a quantidade de energia na natureza é tão eterna e
    inalterável como a quantidade de matéria. Expressa desta
   forma, chamei esta lei geral de Principio da Conservação da
                             Energia”

                                      Herman Von Helmholtz
Energia   Potencial ou                   Energia
Dinâmica     latente       Síntese das   Potencial
                            teorias da
Energia      Real ou      conservação     Energia
Estática     sensível                     Cinética




                                           1867
  1851     1852 a 1855
                              1853       Thomson /
Thomson     Macquorn
                                          Guthrie
Rudolf Clausius (1822 - 1888)
•   Rejeitou a teoria do calórico
•   O calor como uma função de estado do
    sistema. O estado macroscópio de um
    sistema termodinâmico simples
    fechado pode ser definido pelas
    variáveis P,V e T.

      “O calor flui naturalmente de um
     reservatório quente para um frio, mas
               nunca ao contrário”

•   Em 1834, Clausius reformula a 2ª lei e
    introduz o conceito de valor de
    equivalência de uma transformação
    térmica, medido pela relação entre a
    quantidade de calor e a temperatura na
    qual ocorria a transformação.
“Não é possível transformar calor de uma               (Qq)
             
em trabalho ( ) sem haver perdas para uma             (Qf)”




      (trabalho efetuado) = Q (calor líquido absorvido)
Qq
              •RENDIMENTO (n)

                     Qq  Q f      Qf
MÁQUINA      n               1
                 Qq      Qq         Qq
 Qf
•COEFICIENTE
  Qq          DE EFICIÊNCIA
                  (COE)

MÁQUINA               Qf
              COE 
                        
 Qf
• A amônia (NH3), cloreto de metil (CH3Cl), e dióxido de
enxofre (SO2), refrigerantes altamente adequados, porém
tóxicos.

•1930 - clorofluorcarbonetos (CFCs). Danos a Troposfera

•1990 - CFCs foram trocados pelos hidroclorofluorcarbonetos
(HCFCs) e pelos hidrofluorcarbonetos (HFCs).
150 J
MÁQUINA   50 J

 100 J
O CICLO OTTO
 MOTOR 4 TEMPOS
ADMISSÃO
• Válvula de admissão aberta.
• A mistura de vapor de
  gasolina e ar entra no
  cilindro quando o pistão se
  desloca para baixo.
COMPRESSÃO
• As duas válvulas estão
  fechadas.
• O pistão sobe e comprime a
  mistura (gasolina e ar) para a
  ignição.
COMBUSTÃO
       IGNIÇÃO EXPANSÃO


• As duas válvulas estão
  fechadas.
• Vela de ignição, que dispara
  uma faísca, a mistura se
  incendeia.
• O gás se expande, força o
  pistão para baixo e assim se
  produz trabalho.
DESCARGA

• Válvula de descarga aberta.
• O pistão sobe e expulsa os
  gases queimados.
CICLO OTTO


IGNIÇÃO
             EXPANSÃO




COMPRESSÃO


 ADMISSÃO
               •DESCARGA
CICLO DE CARNOT
  “Nenhuma máquina térmica que opera entre dois
reservatórios térmicos, pode ser mais eficiente do que
 uma máquina reversível que opera entre os mesmos
                 dois reservatórios.”
                                    Teorema de Carnot


            •RENDIMENTO
             NO CICLO DE                       Tf
             CARNOT (n)               n  1
                                               Tq
•Qq
                      •Expansão
                      Isotérmica
•Compressã
o Adiabática
                                    •Expansão
                                    Adiabática
               •Compressã
               o Isotérmica   •Qf
• Distinguiu os processos reversíveis dos irreversíveis
• Em 1865 propôs o termo Entropia


“Em qualquer transformação que se produza num sistema isolado, a
   entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Não
    há, portanto qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o
        calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma
                    determinada perda de energia”


Variação da Entropia  Medida da “degradação” do calor ao passar
  de uma dada temperatura para outra mais baixa.
Ludwig Boltzmann (1822 - 1888)

•   Procurou uma interpretação
    mecânica da Entropia, por meio
    de probabilidades

•   Foi o primeiro e o mais ativo
    defensor da idéia de explicar os
    fenômenos macroscópicos
    (pressão, temperatura, etc.)
    através de interações entre
    átomos e moléculas em
    constante movimento.

•   Planck inseriu a constante de
    Boltzmann e a equação da
    entropia na literatura
• No final do século 19, porém, muitos físicos e químicos de renome
  não aceitavam a idéia de que a matéria é descontínua. As opiniões
  de Boltzmann foram contestadas com veemência por Ernest Mach e
  Wilhelm Ostwald e as desavenças, em certos momentos, saíram da
  arena puramente científica, entrando na disputa pessoal.



• Pouco tempo depois de sua morte as evidências experimentais da
  validade de suas idéias começaram a se acumular rapidamente.
  Medidas de J. Perrin, em 1908, mostraram de forma inequívoca a
  existência e o movimento dos átomos e moléculas e sua
  concordância perfeita com as previsões teóricas de Boltzmann.
  Juntamente com o americano Josiah Gibbs, que trabalhou na
  mesma linha que ele, de forma independente, Boltzmann é
  considerado o criador da Mecânica Estatística
Walter Nernst (1864 - 1941)

•   Químico e Físico alemão

•   A entropia de um sistema no zero
    absoluto é uma constante universal



     “É impossível reduzir a zero a entropia
                de um sistema”

    “É impossível esfriar um sistema até o
        zero absoluto em um tempo finito”
Entropia
Lei Zero da Termodinâmica
•   Essa lei baseada no Equilíbrio Térmico só apareceu da década de 1930
•   Formalmente definida por Ralph Fowler e Guggenheim
•   Evidenciou o conceito da grandeza Temperatura
•   Proporciona uma maneira empírica de definir temperatura, além de
    estabelecer um processo operacional de como medi-la
QUENTE OU FRIO?

No frio eu me arrepio
No quente fico ardente
É frio no fundo do rio
É quente no interior da gente
É frio quando na noite gio
Quente no dia de calor latente
O quente sente o frio
E o frio sente o quente
Quando há o contato nato
O quente esfria a sua energia
E o frio se esquenta de fato
Até que a parte quente não sente a fria
E a fria não mais sente a quente

(Washington Lerias)
gio = verbo gear na primeira pessoa, como se o narrador pudesse gear com o efeito da geada.

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Evolução histórica dos conceitos fundamentais da Termodinâmica

  • 1.
  • 2. Linha do tempo... 1824 1842 1845 1847 Carnot Mayer Joule Helmoltz Máquinas Equivalente Equivalente Formulação A vapor Mecânico Mecânico Matemática 2ª lei 3,56 J/cal 4,154 J/cal da 1ª lei 1ª lei Generalização da Conservação da Energia 1850 1865 1900 1930 Clausius Clausius Nernst Equilíbrio térmico 2ª lei Entropia Entropia e o Zero absoluto 3ª lei
  • 3. Como se poderia aumentar o rendimento de uma máquina térmica, tornando-a o mais eficiente possível?
  • 4. Sadi Carnot (1796 - 1832) • Sistematizou a Termodinâmica, colocando limites físicos para a transformação de energia térmica em trabalho • Teoria do Calórico e a sua conservação (indestrutível) • Máquina a vapor reversível • Equivalente mecânico do calor: 3,62J/cal • Esboça a possibilidade de transformações recíprocas das 1824 diferentes formas de energia
  • 5.
  • 6.
  • 7. Teoria do Calórico Antoine Laurent Lavoisier considerava o calor como um fluído elástico, indestrutível e imponderável, designado por calórico. Um corpo mais quente tinha mais calórico do que um frio e os fenômenos térmicos explicavam-se por trocas de calórico entre os corpos. Esta teoria denominada Teoria do Calórico foi sendo posta em causa desde a sua apresentação. Só nos finais do século XVIII se pôs de parte esta falsa concepção, através de um jovem americano chamado, Benjamin Thompson , conde de Rumford. Os trabalhos de Rumford levaram à substituição da Teoria do Calórico pelo conceito de calor como energia em movimento.
  • 8. “Ninguém ignora que o calor pode ser a causa do movimento. Que ele possui até uma grande potência motriz: as máquinas a vapor, hoje tão espalhadas, são uma prova eloquente para quem tiver olhos para ver.” Carnot
  • 9. “É impossível extrair trabalho do calor, sem ao mesmo tempo, descartar algum calor” Joule
  • 10. Carnot (1824) percebeu que o condensador era indispensável em um processo cíclico e que representava uma ineficiência intrínseca e irremovível do processo, já que parte do calor que a caldeira fornecia e que não se transformava em trabalho no pistão era transferida para fora da máquina. Parte do calor sempre sobrava e precisava ser retirada. • Após sua morte em 1832, surgiram várias notas, nas quais ele mostrava que tinha abandonado a teoria do Calórico e sugerido que na sua máquina o que se conservava era a energia e não o calor. • Mas já era tarde, Kelvin e Clausius tinham formulado precisamente o segundo principio da termodinâmica • A máquina de Carnot é a máquina ideal cujo rendimento não pode ser superado. Ela opera entre 2 reservatórios (máquina térmica + refrigerador) e consegue o rendimento máximo em vista das outros processos térmicos.
  • 11. Mayer Joule • Seus trabalhos teóricos • Seus trabalhos experimentais introduziram claramente a definiram precisamente o noção de equivalência entre equivalente mecânico de calor. calor e trabalho • Derrubou a teoria do calórico • Equivalente mecânico do calor: 3,56 J/cal • O calor era conservado e devia ser uma forma de energia • Que o calor e a energia mecânica podem ser considerados manifestações diferentes da mesma quantidade física: a energia • Teoria da Conservação da Energia (Lorde Kelvin, 1851)
  • 12. 1ª Lei da Termodinâmica U = Q -  Onde: Q  Quantidade de Calor   Trabalho U  Variação da energia interna
  • 13. U = Q -  U > 0 Q>0 >0 T aumenta recebe calor expansão Perde EM U < 0 Q<0 <0 T diminui perde calor compressão Ganha EM U = 0 Q=0 = 0 T constante adiabática Isométrica
  • 14.
  • 15.
  • 16. “[...] chegamos a conclusão de que a natureza como um todo possui um estoque de energia que não pode de forma alguma ser aumentado ou reduzido; e que, por conseguinte, a quantidade de energia na natureza é tão eterna e inalterável como a quantidade de matéria. Expressa desta forma, chamei esta lei geral de Principio da Conservação da Energia” Herman Von Helmholtz
  • 17. Energia Potencial ou Energia Dinâmica latente Síntese das Potencial teorias da Energia Real ou conservação Energia Estática sensível Cinética 1867 1851 1852 a 1855 1853 Thomson / Thomson Macquorn Guthrie
  • 18. Rudolf Clausius (1822 - 1888) • Rejeitou a teoria do calórico • O calor como uma função de estado do sistema. O estado macroscópio de um sistema termodinâmico simples fechado pode ser definido pelas variáveis P,V e T. “O calor flui naturalmente de um reservatório quente para um frio, mas nunca ao contrário” • Em 1834, Clausius reformula a 2ª lei e introduz o conceito de valor de equivalência de uma transformação térmica, medido pela relação entre a quantidade de calor e a temperatura na qual ocorria a transformação.
  • 19. “Não é possível transformar calor de uma (Qq)  em trabalho ( ) sem haver perdas para uma (Qf)”  (trabalho efetuado) = Q (calor líquido absorvido)
  • 20. Qq •RENDIMENTO (n)  Qq  Q f Qf MÁQUINA  n   1 Qq Qq Qq Qf
  • 21. •COEFICIENTE Qq DE EFICIÊNCIA (COE) MÁQUINA  Qf COE   Qf
  • 22. • A amônia (NH3), cloreto de metil (CH3Cl), e dióxido de enxofre (SO2), refrigerantes altamente adequados, porém tóxicos. •1930 - clorofluorcarbonetos (CFCs). Danos a Troposfera •1990 - CFCs foram trocados pelos hidroclorofluorcarbonetos (HCFCs) e pelos hidrofluorcarbonetos (HFCs).
  • 23. 150 J MÁQUINA 50 J 100 J
  • 24. O CICLO OTTO MOTOR 4 TEMPOS
  • 25. ADMISSÃO • Válvula de admissão aberta. • A mistura de vapor de gasolina e ar entra no cilindro quando o pistão se desloca para baixo.
  • 26. COMPRESSÃO • As duas válvulas estão fechadas. • O pistão sobe e comprime a mistura (gasolina e ar) para a ignição.
  • 27. COMBUSTÃO IGNIÇÃO EXPANSÃO • As duas válvulas estão fechadas. • Vela de ignição, que dispara uma faísca, a mistura se incendeia. • O gás se expande, força o pistão para baixo e assim se produz trabalho.
  • 28. DESCARGA • Válvula de descarga aberta. • O pistão sobe e expulsa os gases queimados.
  • 29. CICLO OTTO IGNIÇÃO EXPANSÃO COMPRESSÃO ADMISSÃO •DESCARGA
  • 30. CICLO DE CARNOT “Nenhuma máquina térmica que opera entre dois reservatórios térmicos, pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opera entre os mesmos dois reservatórios.” Teorema de Carnot •RENDIMENTO NO CICLO DE Tf CARNOT (n) n  1 Tq
  • 31. •Qq •Expansão Isotérmica •Compressã o Adiabática •Expansão Adiabática •Compressã o Isotérmica •Qf
  • 32. • Distinguiu os processos reversíveis dos irreversíveis • Em 1865 propôs o termo Entropia “Em qualquer transformação que se produza num sistema isolado, a entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Não há, portanto qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma determinada perda de energia” Variação da Entropia  Medida da “degradação” do calor ao passar de uma dada temperatura para outra mais baixa.
  • 33. Ludwig Boltzmann (1822 - 1888) • Procurou uma interpretação mecânica da Entropia, por meio de probabilidades • Foi o primeiro e o mais ativo defensor da idéia de explicar os fenômenos macroscópicos (pressão, temperatura, etc.) através de interações entre átomos e moléculas em constante movimento. • Planck inseriu a constante de Boltzmann e a equação da entropia na literatura
  • 34. • No final do século 19, porém, muitos físicos e químicos de renome não aceitavam a idéia de que a matéria é descontínua. As opiniões de Boltzmann foram contestadas com veemência por Ernest Mach e Wilhelm Ostwald e as desavenças, em certos momentos, saíram da arena puramente científica, entrando na disputa pessoal. • Pouco tempo depois de sua morte as evidências experimentais da validade de suas idéias começaram a se acumular rapidamente. Medidas de J. Perrin, em 1908, mostraram de forma inequívoca a existência e o movimento dos átomos e moléculas e sua concordância perfeita com as previsões teóricas de Boltzmann. Juntamente com o americano Josiah Gibbs, que trabalhou na mesma linha que ele, de forma independente, Boltzmann é considerado o criador da Mecânica Estatística
  • 35. Walter Nernst (1864 - 1941) • Químico e Físico alemão • A entropia de um sistema no zero absoluto é uma constante universal “É impossível reduzir a zero a entropia de um sistema” “É impossível esfriar um sistema até o zero absoluto em um tempo finito”
  • 37. Lei Zero da Termodinâmica • Essa lei baseada no Equilíbrio Térmico só apareceu da década de 1930 • Formalmente definida por Ralph Fowler e Guggenheim • Evidenciou o conceito da grandeza Temperatura • Proporciona uma maneira empírica de definir temperatura, além de estabelecer um processo operacional de como medi-la
  • 38. QUENTE OU FRIO? No frio eu me arrepio No quente fico ardente É frio no fundo do rio É quente no interior da gente É frio quando na noite gio Quente no dia de calor latente O quente sente o frio E o frio sente o quente Quando há o contato nato O quente esfria a sua energia E o frio se esquenta de fato Até que a parte quente não sente a fria E a fria não mais sente a quente (Washington Lerias) gio = verbo gear na primeira pessoa, como se o narrador pudesse gear com o efeito da geada.