AULA 03 - LEIS DA TERMODINÂMICA

Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.
Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

A termodinâmica tem como principais pontos o estudo de duas leis, que são:

- Primeira Lei da Termodinâmica: essa lei diz que a variação da energia interna de um sistema pode ser expressa através da diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho realizado por ele durante uma determinada transformação.

- Segunda Lei da Termodinâmica: enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, essa lei faz restrições para as transformações realizadas pelas máquinas térmicas como, por exemplo, o motor de uma geladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que:

Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria. 

        

Terceira  Lei da Termodinâmica:

Há um comparativo didático entre as três leis da termodinâmica:

• 1ª Lei: não se pode ganhar;
• 2ª Lei: não se pode nem empatar;
• 3ª Lei: pode-se empatar somente no zero absoluto.

Em outras palavras, a primeira lei define que a energia apenas se transforma de uma forma em outra, não podendo criá-la, daí o expressão "não se pode ganhar". A segunda lei afirma que além de não poder ganhar (criar energia), ainda se perde uma parte, pois não é possível transformar toda ela em trabalho, por isso a expressão "nem empatar".

Já a terceira lei da termodinâmica afirma que no zero absoluto é possível que uma máquina tenha rendimento 100%, ou seja, a energia térmica, em forma de calor, pode ser totalmente transformada em trabalho, sem perdas. Por isso foi afirmado que no zero absoluto pode haver um "empate", pois não se cria energia, mas também não se perde, pois é transformada em sua totalidade.

No zero absoluto, a energia interna do corpo é nula, não havendo nenhum movimento molecular. Pela Primeira Lei da Termodinâmica:

Q=ΔU+τ

como ΔU = 0,

Q=0+τ

Q=τ

o calor seria totalmente transformado em trabalho.

Contudo, o zero absoluto nunca foi atingido em laboratório, o que faz com que a hipótese da terceira lei seja apenas teórica quando a temperatura é exatamente igual a zero. Entretanto, não foram eliminadas as hipótese para situações em que a temperatura se aproxima do zero absoluto.

Em 1907, Walther Nernst (1864-1941) propôs uma lei que tratava dessas situações, em que a temperatura se aproxima do zero absoluto:

"A entropia do sistema tende a zero se a sua temperatura tende a zero."

Esta lei de Nernst ficou conhecida como a Terceira Lei da Termodinâmica.

Max Planck (1858-1947) também chegou a resultados idênticos, contudo considera a entropia nula, no zero absoluto, apenas para substâncias puras, e não para misturas.

A entropia mede o nível de desorganização molecular do sistema. Quanto maior a temperatura, maior a entropia, pois as moléculas, mais aquecidas, se movimentam mais e tendem a se espalhar no volume. Com o conceito de entropia, a Segunda Lei da Termodinâmica também pode ser escrita da seguinte forma:

"Se um processo ocorre em um sistema fechado, a entropia nunca diminui, permanecendo constante para processos reversíveis, ou aumentando, para processos irreversíveis."

Processos reversíveis podem voltar ao seu estado inicial, enquanto que os irreversíveis não. Um exemplo prático é quando se coloca uma gota de água em uma chapa quente, de forma que esta sofra uma calefação. Dificilmente a gota voltará ao seu estado inicial, sendo este processo irreversível. Já um recipiente com água, ao ser resfriado, torna-se um volume de gelo, mas se aquecido, pode voltar a ser líquido novamente, sendo um processo reversível.

No contexto das três leis, sendo impossível ter uma máquina térmica com 100% de eficiência, considera-se um processo reversível o processo ideal pelo qual é obtido eficiência máxima em uma máquina térmica, mesmo que ainda se tenha η < 1.

Destacam-se alguns fatores que fazem um processo se tornar irreversível, como reações químicasespontâneas, fricção em deslizamentos ou em escoamento de fluidos, expansão de gases ou líquidos para uma pressão menor sem que haja resistência, deformação inelástica, fluxo de corrente elétricaem resistências, transferências de calor em sistemas com diferença de temperaturas finita, entre outros.

ATIVIDADES RELATIVAS ÀS LEIS DA TERMODINâMICA

01. Sobre os gases monoatômicos e ideais que passam por um processo de transformação isobárica, podemos afirmar corretamente que:

a) Toda a quantidade de calor (Q) cedida ao sistema será transformada em trabalho mecânico.

b) A quantidade de calor (Q) cedida ao sistema é diretamente proporcional à sua variação de temperatura.

c) A energia interna do gás (U) permanece constante.

d) A variação de energia interna(ΔU) é inversamente proporcional à variação volumétrica (ΔV).

e) A temperatura do gás varia, mas não há trocas de calor entre o sistema e o meio externo.

02. Em uma transformação isobárica, a pressão do gás é _______, e sua energia interna aumenta se a diferença entre ______ e _______ for _________.

a) constante, calor, trabalho, nula.

b) constante, calor, trabalho, negativa.

c) variável, calor, trabalho, positiva.

d) constante, trabalho, calor, negativa.

e) constante, calor, trabalho, positiva.

03. Pode ser considerado um exemplo de processo isobárico:

a) Um balão de gás Hélio que sobe pelo empuxo atmosférico.

b) Aquecimento da água em um bule.

c) Água subindo pelo canudo devido à sucção.

d) Convecção do vapor de água.

04. Analise as alternativas abaixo e assinale a alternativa correta relativa aos processos termodinâmicos isovolumétricos.

a) Quando os gases recebem calor durante as transformações isovolumétricas, o sinal do trabalho termodinâmico produzido pelo gás é negativo.

b) Quando os gases recebem calor durante as transformações isovolumétricas, o sinal do trabalho termodinâmico produzido pelo gás é positivo.

c) Nos processos isovolumétricos, a pressão do gás permanece constante, enquanto a temperatura e o volume variam, de forma que nenhum trabalho é realizado por ou sobre o gás.

d) Nos processos isovolumétricos, o volume do gás altera-se, enquanto a temperatura e a pressão variam, de forma que nenhum trabalho é realizado por ou sobre o gás.

e) Nos processos isovolumétricos, o volume do gás permanece constante, enquanto a temperatura e a pressão variam, de forma que nenhum trabalho é realizado por ou sobre o gás.

05. Durante um processo isovolumétrico, um gás recebe do meio externo uma quantidade de calor Q. Podemos afirmar que a variação de sua energia interna e sua pressão terão seus módulos, respectivamente:

a) Mantidos constantes e aumentados

b) Reduzidos e aumentados

c) Aumentados e aumentados

d) Reduzidos e mantidos constantes

e) Aumentados e reduzidos

06. A respeito da primeira lei da Termodinâmica, marque a alternativa incorreta:

a) Em uma transformação isotérmica, a variação da energia interna é nula.

b) A primeira lei da Termodinâmica trata da conservação da energia.

c) Em uma transformação isocórica, não haverá realização de trabalho.

d) Em uma transformação adiabática, o trabalho será realizado sobre gás quando a variação da energia interna é positiva.

e) A primeira lei da Termodinâmica diz que o calor fornecido a um gás é igual à soma do trabalho realizado pelo gás e a sua variação da energia interna.

AULA 02 Conversão entre escalas termométricas

A temperatura é a medida do grau de vibração das moléculas que compõem um corpo. Se a vibração molecular estiver alta, o corpo estará quente. Caso a vibração molecular seja pouco intensa, o corpo estará frio.

A exata determinação dos valores de temperatura em nosso cotidiano é de extrema importância. Como exemplo disso, podemos citar a determinação da temperatura corporal para o diagnóstico da febre e a manutenção de valores exatos de temperatura para o acondicionamento de remédios.

As sensações corporais não podem ser utilizadas para definir exatamente a temperatura de uma substância, pois o corpo humano não é um bom termômetro. Assim, a temperatura pode ser determinada pelo comportamento de materiais frente a variações dessa grandeza física. Sabemos, por exemplo, que, ao sofrer variações de temperatura, os materiais podem sofrer dilatação ou contração, assim, é possível aproveitar essa propriedade para medir sua temperatura.

Os termômetros mais comuns são os de mercúrio, nos quais esse metal líquido fica armazenado em um bulbo de vidro, com uma determinada escala termométrica. Os valores de temperatura são marcados pela dilatação ou contração desse metal.

Escalas termométricas

O processo de construção de uma escala termométrica é simples e envolve apenas dois passos. Com um bulbo de vidro onde há mercúrio, deve-se fazer o seguinte:

1) Marcação dos pontos fixos da água

Em condições normais de temperatura e pressão, a água sempre sofrerá fusão e ebulição nas mesmas temperaturas. Logo, deve-se unir o bulbo com mercúrio a uma certa quantidade de gelo em processo de fusão. Quando o nível do mercúrio dentro do bulbo for estabilizado, marca-se a posição do ponto de fusão. Em seguida, unindo o bulbo de vidro com água em ebulição, deve-se esperar a estabilização do nível de mercúrio e marcar o ponto de ebulição.

Sempre que o nível de mercúrio atingir um dos pontos marcados, saberemos que a temperatura corresponde ao ponto de fusão ou ao ebulição da água.

2) Atribuição de valores

Após a marcação dos pontos fixos, deve-se atribuir valores a cada um deles. Assim, estará criado um termômetro em uma determinada escala termométrica.

Escalas termométricas

Atualmente, existem três escalas termométricas em uso no mundo:

1) Escala Celsius: Criada em 1742 pelo físico sueco Anders Celsius (1701 – 1744), essa escala atribui o valor 0 °C para o ponto de fusão e 100 °C para o ponto de ebulição da água.

2) Escala Fahrenheit: Criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Fahrenheit (1686 – 1736), essa escala é utilizada principalmente nos países de língua inglesa e possui o valor 32 °F para o ponto de fusão e 212 °F para a ebulição da água.

3) Escala Kelvin: Essa escala foi criada pelo inglês Willian Thompson (1824 – 1907), conhecido como Lord Kelvin. Tendo como referência a temperatura do zero absoluto, temperatura em que a vibração molecular cessa, a escala Kelvin é conhecida como escala absoluta.

Lord Kelvin atribuiu o valor zero à temperatura de – 273,15 °C, que corresponde à temperatura do zero absoluto. Assim, os pontos de fusão e ebulição na escala Kelvin correspondem, respectivamente, a 273 K e 373 K. Essa escala não apresenta a notação grau (°) e é utilizada pela comunidade científica.

Conversão entre escalas termométricas

A equação a seguir faz a transformação entre as temperaturas das escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Ao aplicá-la, podemos transformar qualquer valor de temperatura e encontrar seu correspondente em outra escala termométrica.

Nessa equação, T_C, T_F e T_K representam temperaturas quaisquer nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, respectivamente.

Exemplo

Vamos utilizar a equação de transformação para encontrar o valor correspondente a 45 °C na escala Fahrenheit.

A temperatura de 45 °C corresponde a 113 °F.  

 

ATIVIDADES

01. (PUC–SP)

Um médico inglês, mede a temperatura de um paciente com suspeita de infecção e obtém em seu termômetro clínico o valor de 102,2 °F.

a) Ele tem motivo de preocupação com o paciente? 

b) Por que um doente com febre sente frio? Responda e defina o conceito de calor.

02. Ao medir a temperatura de um gás, verificou-se que a temperatura era a mesma nas escalas Celsius e Fahrenheit. Determine o valor dessa temperatura.

03. (ITA) O verão de 1994 foi particularmente quente nos Estados Unidos da América. A diferença entre a máxima temperatura do verão e a mínima do inverno anterior foi de 60ºC. Qual o valor dessa diferença na escala Fahrenheit?

a) 33ºF

b) 60ºF

c) 92ºF

d) 108ºF

e) 140ºF

04. (Unesp 2003) Uma panela com água é aquecida de 25°C para 80°C. A variação de temperatura sofrida pela panela com água, nas escalas Kelvin e Fahrenheit, foi de:

a) 32 K e 105°F.

b) 55 K e 99°F.

c) 57 K e 105°F.

d) 99 K e 105°F.

e) 105 K e 32°F.

05.