sexta-feira, 3 de maio de 2024

Aula 23 -23.2- Instrumentação I, ministrada pelo professor Rafael. Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica, acontece nesta sexta, 03

 

Segue no grupo de whatsapp da disciplina, a  Lista de exercícios  sobre termodinâmica em PDF.




A aula 23 de Instrumentação I, nesta sexta-feira, 03 de maio, ministrada pelo professor Rafael, dando continuidade ao estudo de Física Térmica, será visto a velocidade média das moléculas de um gás ideal, as Leis da Termodinâmica e Entropia, será  disponível no blog ciências e educação.

Um processo irreversível é aquele processo  que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta.  No caso contrário é dito reversível.  Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc.  Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação. 

Lei zero da  termodinâmica

Considere dois  sistemas A e B em equilíbrio térmico com um sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico também.  

Primeira Lei da termodinâmica

A primeira lei da Termodinâmica é uma generalização do princípio de conservação de energia, levando em conta a energia térmica em forma de Calor. Ela relaciona o calor com a variação de energia interna e o trabalho realizado pelo sistema.

Se um sistema termodinâmico recebe uma quantidade de energia térmica  ΔQ, sofrerá uma variação de energia interna  ΔU e realiza um trabalho W, resulta em.

 ΔQ= ΔU+W

Definição de pressão P

P =F/A
Com F sendo a força e A a área da superfície em que atua a força F.
Unidades de pressão:
No SI: Pa(pascal) é igual a um newton por metro quadrado.
1Pa=N/m2
que está relacionada a pressão atmosférica (atm),devido ao peso da mistura de gases:

1atm=76cmHg=760mmHg=1,013x105N/m2
(mmHg-significa milímetro de mercúrio. Lembre-se que 1m=103mm.)

A pressão atmosférica foi medida pela primeira vez pelo discípulo de Galileu, Torricelli,  em 1643. Ele usou um tubo cheio de mercúrio com uma das extremidade aberta e colocou dentro de uma vasilha contendo mercúrio e observou que o fluido dentro do tubo ficou a uma altura de 76cm da superfície. 
                                                   Torricelli
Agora iremos fazer aplicaçõe de Trabalho em Termodinâmica
Trabalho em Termodinâmico

Considerando um sistema termodinâmico sob uma pressão constante, então a força será constante e, o trabalho termodinâmico realizado para levar o sistema de um estado inicial ao estado final, torna-se:

W=FD=PAD=PΔV
(pressão vezes a variação de volume).

Portanto, em uma expansão o trabalho será positivo, pois ΔV>0. No caso de uma compressão, W<0, pois ΔV<0. 
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Se for dado um diagrama PV  (pressão versus o volume), o trabalho será a área abaixo da curva.

A pressão varia com a altitude.



Máquina Térmica

Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para uma máquina térmica.
 
É impossível existir um processo cíclico em que uma máquina térmica transforme integralmente em  trabalho, retirando calor Q_q de um reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q para um   reservatório de uma fonte a temperatura fria T_F, realizando um trabalho termodinâmico W=Q_q-Q_F,  sem perder energia térmica Q_F, para a fonte fria. 

Rendimento

𝜼=W/Q_q
ou seja,
𝜼=(Q_q-Q_F)/Q_q=Q_q/Q_q-Q_F/Q_q=1-Q_F/Q_q

𝜼=1-Q_F/Q_q

Exemplo: Considere uma excelente máquina térmica operando em ciclo transferindo 400J de uma fonte quente, realiza trabalho, liberando  50J para uma fonte fria. 
a) Qual o rendimento?
b) Qual o trabalho termodinâmico  realizado?

Solução

a)  Dados: Q_f=50J e Q_q=400J
Rendimento
𝜼=1-Q_f/Q_q=1-50/400=1-1/8=7/8=0,875=87,5%

b) Trabalho
W=Q_q-Q_f=(400-50)J=350J


Refrigerador

Enunciado da segunda lei da termodinâmica, para um Refrigerador.
 
É impossível realizar um processo ciclo, cujo o único efeito seria   retirar calor Q_f de um reservatório de uma fonte a temperatura fria T_f para um   reservatório de uma fonte a temperatura quente T_q, sem realizar trabalho W.  Na geladeira, esse trabalho termodinâmico W é realizado pelo motor e o compressor.



Entropia e Segunda Lei da termodinâmica. Um processo irreversível é aquele processo  que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. Exemplo, quando uma panela com feijão derrama sobre uma mesa, é impossível o feijão retornar para a panela sozinho.  

No caso contrário é dito um processo reversível.  Fluido operante: agentes intermediários, recebe uma certa quantidade de calor faz um trabalho e perde uma quantidade de calor sob forma de vapor, energia, etc.  Entropia, fornece uma direção e o grau de ordenação: A variação de entropia, para uma variação infinitesimal da temperatura  é definida por

ΔS > ⌠dQ/T     ou     ΔS= ⌠dQ/T 

O sinal de maior é para um  processo irreversível e o sinal de igualdade é para um sistema termodinâmico reversível, definida pelo Físico alemão Rudolph Clausius(1822-1888), no estudo de fenômenos naturais.  

No caso de uma transformação isotérmica, isto é, quando a transferência de calor é realizada   a temperatura constante, a entropia torna-se:

ΔS > Q/T (processo irreversível )    
ou    
 ΔS= Q/T (processo reversível ) 

Considere um gás em contato com um reservatório de calor sob um processo (de transferência de calor)  isotérmico. Note que, para o gás, 

ΔS_g= - Q/T_q<0. 

Para o reservatório, 

ΔS_R= Q/T_f>0. 

A variação total da entropia do sistema  gás mais reservatório é positiva,  

ΔS=ΔS_g+ΔS_f= Q/T_f-Q/T_q>0..


Máquina Térmica Ideal, operando em cilco



No caso de máquina térmica reversível, ideal de Carnot,  que opera em ciclo, absorvendo energia em forma de calor de uma fonte quente,  Q_q, realiza trabalho W e libera calor para a fonte fria, Q_F, a entropia total é nula. 

ΔS=ΔS_g+ΔS_F=Q_q/T_q-Q_F/T_F=0.

Portanto,

Q_q/Q_F=T_q/T_F(Temperatura da fonte quente dividida pela temperatura da fonte fria.)

Neste caso, o rendimento torna-se:


𝜼=1-T_q/T_F. 

Para um sistema isolado a entropia ou se mantém constante (em processo reversível) ou aumenta com o passar do tempo (em processo irreversível). Os processos da natureza ocorrem sempre no mesmo sentido. Quanto maior a desordem de um sistema  maior a variação de sua entropia.

 
                            Velocidade média das moléculas de um gás ideal
                               Vimos a definição do número de moles
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Veja a lista de Exercícios



Quem ferve mais rápido o leite  ou a água?

A água tem um ponto de ebulição de 100 graus celcius(2012 F-Farenheit), maior  do que o leite. Este é composto de algumas substâncias: lactose(açúcar), proteínas, gordura sais minerais e água. Sendo que 90% do leite é água, que tem um ponto de ebulição de 60 graus celcius e, por isso, o leite ferve mais rápido do que a água. As bolhas de vapor é formada no fundo da panela, próxima do fogo, e sobe para a superfície. Parte da  nata do leite é formada pela gordura e uma proteína solúvel na água, a lactoalbumina, que fica flutuando na superfície. Quando a temperatura da panela chega aos 100 graus celcius, a água ferve.  
Blog rafaelrag

3 comentários:

  1. Nome: Danilo Gonçalves Sousa
    Matrícula: 522110172
    Disciplina: INSTRUMENTAÇÃO EM CIEN NAT E SUAS TEC I
    OK!

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  2. Nome: Carolina Felix Silva
    Matrícula: 522110120
    Disciplina: Instrumentação em Cien Nat e suas Tec l
    Ok.

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  3. Nome: Taise Abigail Martins da silva
    Matrícula:522110039
    Disciplina:INSTRUMENTAÇÃO EM CIEN NAT E SUAS TEC I
    OK!

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