Termodinâmica

O que acontece com um sólido que recebe calor?

Esquenta, dilata e derrete.

O que acontece com um líquido que recebe calor?

Esquenta, dilata e evapora?

O que acontece com um gás que recebe calor?

Não é possível saber de forma simples. É preciso conhecer as variáveis de estado (pressão, volume e temperatura), se há expansão do gás, se há compressão, as transformações. Isso é feito pelo estudo da termodinâmica.

Vamos conhecer as principais grandezas envolvidas nas transformações.

 

Trabalho em uma transformação termodinâmica

Considere um gás confinado que pode sofrer uma expansão ou contração

Quando ocorre expansão, o trabalho é positivo (realizado pelo gás)

Quando ocorre contração o trabalho é negativo (realizado sobre o gás)

 

Primeira Lei da Termodinâmica

A primeira Lei da termodinâmica é uma relação entre a energia que é trocada pelo sistema (Q), o trabalho realizado W e a variação de energia interna (∆U).

 

Variação de Energia Interna (ΔU)

Para gases ideais monoatômicos

A variação de energia interna depende exclusivamente da temperatura.

Uma variação de temperatura positiva implica em uma variação de energia interna positiva (gás esquenta).

Uma variação de temperatura negativa implica em uma variação de energia interna negativa (gás esfria).

 

Quantidade de calor

 

Uma quantidade de calor positiva indica que o gás recebe calor.

Uma quantidade de calor negativa indica que o gás cede calor.

 

Primeira Lei da Termodinâmica e suas transformações


  • Transformação Isotérmica:

Na transformação isotérmica, não há variação de temperatura. Assim a quantidade de calor que entra no sistema é transformada em trabalho.

Assim:

 

  • Transformação Isométrica (isovolumétrica ou isocórica)

Não há variação de volume, logo não há realização de trabalho.

A variação de energia interna é igual à quantidade de calor que entra no sistema.

 

  • Transformação Adiabática

Na transformação adiabática não há troca de calor do gás com o ambiente externo. Assim a quantidade de calor é nula.

Então

 

  • Transformação Cíclica

Na transformação cíclica a temperatura inicial é igual à temperatura final (contudo não é uma temperatura constante). Assim a variação da energia interna é nula.

Assim a quantidade de calor que entra no sistema é transformada em trabalho.

Obs.: Vale fazer alguns destaques:

 

- Máquinas térmicas são aparelhos usados para converter energia térmica em energia mecânica.

Basicamente uma máquina térmica recebe calor de uma fonte quente (ex vapor de água), realiza trabalho (ex vapor gira uma roda com pás) e joga o restante não utilizado para uma fonte frio (ex ambiente). É um princípio simples em que o trabalho é o saldo entre a energia que entra e a energia que sai.

 

- O Ciclo de Carnot é o ciclo que produz o maior rendimento para a máquina térmica. Corresponde à duas transformações adiabática e duas isotermas.

- A 2a Lei da Termodinâmica diz que, em uma de suas formas, é impossível construir uma máquina que transforme toda energia recebida em trabalho.

 

É possível entender a primeira lei como a vida de alguém.

O que acontece com uma pessoa come muito e não faz exercícios físicos?

Ele aumenta de peso.

É equivalente a uma transformação isovolumétrica.

O calor entra no sistema, mas não realiza trabalho. O calor vai todo para o gás.

É como o gás em uma panela de pressão. Não há variação no volume da panela. Assim, ela esquenta o  líquido e o gás em seu interior, aumentando também a pressão e cozinhando o alimento mais rápido.

 

O que acontece com uma pessoa que não se alimenta e faz muitos exercícios?

Ela perde peso.

É equivalente a uma transformação adiabática.

Como não há entrada de calor e há realização de trabalho, gás tem que tirar energia das suas reservas, assim para o gás se expandir ele precisa fornecer energia. O gás esfria.

Isso é fácil de observar quando assopramos a palma de nossa mão ou usamos um spray.

O gás sai frio.

O gás está confinado e sai rapidamente. Como sai rápido, não há trocas de calor (Q=0), mas há expansão (trabalho positivo). Assim, a variação de energia interna e negativa, gás esfria.

 

 

O que acontece com uma pessoa que come e gasta em exercícios o que comeu?

Ela fica com o mesmo peso.

É equivalente a uma transformação isotérmica. O calor que entra é usado para expandir o gás. Não sobra calor para esquentar o gás. O saldo da variação de energia interna é zero.

 

Exercício resolvido

Spray de vidro líquido vai revolucionar o mundo

O spray é transparente, atóxico e pode proteger qualquer superfície contra danos causados por água, terra, raios UV, calor e bactérias. A proteção também é flexível e tem “poros”, o que a torna utilizável em vários produtos. O spray de vidro líquido é feito, basicamente, de dióxido de silicone (SiO2, a conhecida sílica, um composto do vidro). Dependendo da superfície que você pretende proteger é só misturar água e etanol e as moléculas da mistura grudam em uma nanoescala, por causa das forças quânticas envolvidas. Além disso o efeito é prolongado porque bactérias que destruiriam a proteção se reproduzem com dificuldade na superfície.

O spray produz uma camada com largura de 15 a 30 moléculas. Essa quantidade de vidro, em nanoescala, pode ser inspirado e dobrado. Ele não faz mal ao meio ambiente e, como dito anteriormente, ainda repele bactérias. O produto é tão resistente que agüenta até alguns ácidos. Os fabricantes dizem que, daqui a algum tempo, tudo o que compramos vai estar protegido por uma camada de vidro líquido.

(http://hypescience.com/27506-spray-vidro-liquido/)

Uma lata comum de spray possui gás pressurizado no interior. Ao apertar a  válvula, o gás escapa e se expande rapidamente levando junto o conteúdo líquido em suspensão. É possível notar que o gás sai frio da lata, pois é uma expansão:

a)     isotérmica que provoca a diminuição da energia interna do gás.

b)    adiabática que provoca a diminuição da energia interna do gás.

c)     adiabática que cede calor para o meio ambiente.

d)    Isotérmica que cede calor para o meio ambiente.

e)     Isométrica que provoca uma diminuição na energia interna do gás.

 

Solução:

O gás está confinado e sai rapidamente. Como sai rápido, não há trocas de calor (Q=0). A transformação é adiabática.

∆U = Q –  W           Q = 0    ∆U =  – W         

Mas há expansão (trabalho positivo).

∆U =  - W            

Assim, a variação de energia interna e negativa, gás esfria.

Há a diminuição da energia interna do gás.

Letra B.

 

Bom estudo.

 

 



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