Aula 8 termodinâmica

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Aula 8 termodinâmica

  1. 1. FÍSICAProf. Amilcar
  2. 2. TERMODINÂMICA
  3. 3. ESTUDO DOS GASES
  4. 4. O ESTADO GASOSO Pressão (p)Variáveis de um gás Volume (V) Temperatura (T)
  5. 5. Pressão: contém é devido a inúmerascolisões entre as moléculas que o compõem eas paredes do recipiente.Volume: O gás não possui forma e volumedefinidos. O volume que um gás possui é igualao volume do recipiente ocupado por ele.1 m³ = 10³ L
  6. 6. Temperatura: Mede o estado deagitação das moléculas do corpo. No estudodos gases perfeitos a temperatura deve estarna escala Kelvin onde: T = c + 273
  7. 7. EQUAÇÃO DE CLAPEYRONAs variáveis de estado pressão (p), volume(V ) e temperatura (T ) de uma massa degás ideal contendo n mols de gás estãorelacionadas pela equação de estado dosgases perfeitos (ou ideais): pV=nRT
  8. 8. Um cilindro metálico de 41 litros contémargônio (massa de um mol = 40 g) sobpressão de 90 atm à temperatura de 27 °C.Qual a massa de argônio no interior dessecilindro?Resolução: Dados fornecidos no texto:V = 41 LM = 40 gp = 90 atmT = 27 °C = 300 K
  9. 9. Dados fornecidos: V = 41 L M = 40 g p = 90 atm T = 27 °C = 300 KPrimeiro determina-se Agora se calcula ao número de mols massa do gás:do argônio: m m n  150  M 40p.V=n.R.T90 . 41 = n . 0,082 . 300 m  6000 g  6 kg3690 = 24,6 nn = 150 mols
  10. 10. A transformação gasosa ocorrequando pelo menos uma dasvariáveis de estado se modifica.
  11. 11. TRANSFORMAÇÕES GASOSASIsotérmicas: a temperatura do sistemapermanece constante.Isobáricas: a pressão é mantidaconstante.Isovolumétricas (isométricas ouisocóricas): o volume permanececonstante.
  12. 12. TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICALei de Boyle: a pressão exercida por um gásideal é inversamente proporcional ao seuvolume.Considerando o estado inicial A e final B deum gás ideal sofrendo uma transformaçãoisotérmica, tem-se: pA  VA = pB  VB
  13. 13. TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICAVolume VV/2V/3V/4 0 p 2p 3p 4p pressão
  14. 14. TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICAp T1 < T2 < T3 T3 T2 T1 V
  15. 15. TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICALei de Charles e Gay-Lussac: o volume ocupado porum gás é diretamente proporcional a sua temperaturaabsoluta (em kelvins).Considerando o estado inicial A e final B de um gásideal sofrendo uma transformação isobárica, tem-se: VA VB  TA TB
  16. 16. TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICASVolume4V3V2VV 0 T 2T 3T 4T Temperatura
  17. 17. TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA VA VB  TA TB
  18. 18. TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICALei de Charles para transformações a volumeconstante: a pressão do gás é diretamenteproporcional a sua temperatura absoluta (em kelvins).Considerando o estado inicial A e final B de um gásideal sofrendo uma transformação isobárica, tem-se: p A pB  TA TB
  19. 19. TRANSFORMAÇÃOISOVOLUMÉTRICA p A pB  TA TB
  20. 20. EQUAÇÃO GERAL DE UM GÁS PERFEITO
  21. 21. EQUAÇÃO GERAL DOS GASES PERFEITOS p1.V1 p2 .V2  T1 T2
  22. 22. Um gás perfeito é mantido em um cilindrofechado por um pistão. Em um estado A, assuas variáveis são: pA = 2,0 atm; VA = 0,90 L;TA = 27ºC. Em outro estado B, a temperatura éTB = 127ºC e a pressão é pB = 1,5 atm.Nessas condições, qual o volume VB, emlitros?
  23. 23. Resolução: pA .VA pB .VB Dados fornecidos: TA TBpA = 2 atmVA = 0,90 L 2. 0,90 1 . VB ,5 TA = 27 °C = 300 K 300 400pB = 1,5 atm VB  1 L ,6VB = ?TB = 1,27 °C = 400 K
  24. 24. TRABALHO EM UMATRANSFORMAÇÃO GASOSA Faísca elétrica Entrada de mistura gasosa Saída de gases(ar + combustível) após combustão Câmara de Pistão combustão (cilindro)
  25. 25. T = p . VVálida para pressão constante.
  26. 26. Da expressão do trabalho, verifica-seque ele pode ser positivo, negativo ounulo. Trabalho feito Volume Trabalho pelo gás Aumenta Realizado (+) Diminui Recebido (–) Constante Não existente Nulo
  27. 27. TRABALHO COM PRESSÃO VARIÁVEL pressãop2 B N Área = T Ap1 volume V1 V2
  28. 28. Certa massa gasosa sofre a transformação AB indicada no diagrama. 5 2 p (10 N/m ) A 3 2 1 B -3 3 0 1 2 3 V (10 m )Qual o trabalho realizado pelo gás natransformação AB ?
  29. 29. O trabalho na transformação AB é dado pela área descrita no diagrama: 5p(10 N/m ) 2 T = Área  3.105  1.105  3 A T =   .2.103  2  2 1 B T = 4 . 102 J -3 3 0 1 2 3 V(10 m )
  30. 30. TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA pressão A  posição inicial p2 B A p1 C volume V1 V2
  31. 31. pressão pressãop2 B p2 B TAB = A1 TBC = 0 Ap1 p1 C Área 1 volume volume V1 V2 V1 V2 pressão pressão p2 Bp2 N Área = T TCA = - A2 A A p1 Cp1 C Área 2 volume V1 V2 volume V1 V2
  32. 32. Em toda transformação cíclicarepresentada no diagrama p x V, otrabalho realizado é fornecido pela áreado ciclo.- sentido horário  o gás realizatrabalho (T > 0)- sentido anti-horário  o gás recebetrabalho (T < 0)
  33. 33. Um gás ideal sofre transformações segundo o ciclo dado no esquema p x V a seguir. O trabalho no ciclo é numericamente igual à área interna do diagrama e como o ciclo é anti-horário o trabalho é negativo: T = Área 4.106. 2.105 T=- Qual o trabalho total no 2ciclo ABCA ? T = - 4 . 10-1 J T = - 0,4 J
  34. 34. ENERGIA INTERNA É resultante da soma de várias energias, como as de translação, de rotação e devibração, a potencial e a energia associada à agitação térmica das moléculas do gás. Rotação Vibração Translação
  35. 35. ENERGIA INTERNASegundo a teoria cinética dos gases,todos os gases possuem a mesmaenergia cinética média (EC) por molécula,desde que estejam à mesmatemperatura: 3.n.R.T U  EC  2
  36. 36. Temperatura Energia interna Aumenta Aumenta U > 0 Diminui Diminui U < 0Não se altera Não se altera U = 0
  37. 37. PRIMEIRA LEI DATERMODINÂMICA Q = T + U
  38. 38. Um corpo recebe 180 Joules de calor de umoutro corpo e rejeita 40 Joules para o ambiente.Simultaneamente, o corpo realiza um trabalho de150 Joules. Qual foi a variação da energia internado sistema termodinâmico? O sistema termodinâmico recebeu uma quantidade decalor efetiva de Q = 180 – 40 = 140 J e realizou umtrabalho de 150 J. Assim, tem-se: Q = T + U 140 = 150 + U U = - 10 J
  39. 39. APLICAÇÕES DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICATransformação adiabáticaNão ocorrem trocas decalor entre o sistema eo meio externo (Q = 0).
  40. 40. COMPRESSÃO ADIABÁTICA
  41. 41. EXPANSÃO ADIABÁTICA
  42. 42. SEGUNDA LEI DATERMODINÂMICA
  43. 43. É impossível a construção de uma máquina que, operando em umciclo termodinâmico, converta todaa quantidade de calor recebido em trabalho.
  44. 44. Rendimento de uma máquina térmicaO rendimento de uma máquina térmica é arazão entre a energia útil (trabalho) pelaenergia total (quantidade de calor da fontequente) que a máquina recebe para realizartrabalho. energia útil   energia total
  45. 45. CICLO DE CARNOT
  46. 46. T2   1 T1Onde:T2 = temperatura absoluta da fonte friaT1 = temperatura absoluta da fonte quente
  47. 47. Uma máquina térmica, operando em um ciclode Carnot, trabalha entre as temperaturas de –73ºC e 227ºC. Em cada ciclo, a máquina recebe500 J de calor da fonte quente. Analise asseguintes afirmativas:I. O rendimento dessa máquina é de 40%.II. O trabalho realizado pela máquina é de 300 J.III. O calor rejeitado, por ciclo, para a fonte fria éde 200 J.Quais afirmações são corretas?
  48. 48. Resolução:I. O rendimento é dado por: T2  1  273  73   1  200   1 T1  273  227  500   0,6 ou 60%
  49. 49. II. Como o calor recebido é de 500 J, tem-se:   T = 300 J
  50. 50. III. O calor rejeitado é:T = Q1 – Q2300 = 500 - Q2Q2 = 200 J

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