Segue no grupo de whatsapp da disciplina, a Lista de exercícios sobre termodinâmica em PDF.
Esta Aula 28 da disciplina de Instrumentação I, do curso de Licenciatura em Física da UFCG, campus Cuité, nesta quarta-feira, 04 de março, 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, disponível no blog ciências e educação.
Veremos na aula de hoje que a Entropia está relacionada com a segunda lei da Termodinâmia, ela fornece uma direção e o grau de ordenação.
Iniciaremso fazendo um resumo das leis zero e primeira lei da termodinâmica.
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.
Agora iremos fazer aplicações do Trabalho em Termodinâmica.
Trabalho em Termodinâmico, clique em mais infomações.
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.
Leia mais
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.
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
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