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Leis da Termodinâmica, no Reforço GEMAG para o ENEM, neste Domingo, 14
Um processo irreversível é aquele processo que não acontece espontaneamente. Vai mas não volta. No caso contrário é dito reversível. Na natureza é quase impossível acontecer um processo reversível.
Exemplos de processos irreversíveis: quando deixamos cair um copo de vidro de cima de uma mesa, ele se quebra e não conseguimos colar toso os pedaços fazendo ele ficar igual a antes. Quando um ovo é cozido, ele não voltará a ser como era antes, etc.
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. Vamos considerar um gás como fluido operante.
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 (Primeira Lei da termodinâmica)
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 1cm=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
Trabalho Termodinâmico
Considerando um sistema termodinâmico sob uma pressão constante, então a força será constante e, o trabalho realizado para levar o sistema de um estado inicial ao estado final, torna-se:
W=FD=PAD=PΔV, ou seja, o trabalho termodinâmico, para a pressão constante, torna-se:
W=PΔV(pressão vezes a variação de volume).
Portanto, em uma expansão o trabalho será positivo, pois o volume aumenta ΔV>0. No caso de uma compressão, o volume diminui e o trabalho será negativo, 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.
1- Questão do ENEM-2020-digital realizada esse ano.
Tanto a conservação de materiais biológicos como o resfriamento de certos fotodetectores exigem baixas temperaturas que não são facilmente atingidas por refrigeradores. Uma prática comum para atingi-las é o uso de nitrogênio líquido, obtido pela expansão adiabática do gás N2, contido em um recipiente acoplado a um êmbolo, que resulta no resfriamento em temperaturas que chegam até seu ponto de liquefação em −196 °C. A figura exibe o esboço de curvas de pressão em função do volume ocupado por uma quantidade de gás para os processos isotérmico e adiabático. As diferenças entre esses processos podem ser identificadas com base na primeira lei da termodinâmica, que associa a variação de energia interna à diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo.
A expansão adiabática viabiliza o resfriamento do N2 porque
Segunda lei da Termodinâmica
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 Qq de um reservatório de uma fonte a temperatura quente Tf para um reservatório de uma fonte a temperatura fria Tf, realizando um trabalho termodinâmico
W=Qq-Qf,
sem perder energia térmica Q_F, para a fonte fria.
Rendimento
𝜼=W/Qq
ou seja,
𝜼=(Qq-Qf)/Qq=Qq/Qq-Qf/Qq=1-Qf/Qq
𝜼=1-Qf/Qq
Note que o rendimento nunca será 100%.
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: Qf=50J e Qq=400J
Rendimento
𝜼=1-Qf/Qq=1-50/400=1-1/8=7/8=0,875=87,5%
b) Trabalho
W=Qq-Qf=(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 Qf de um reservatório de uma fonte a temperatura fria Tf para um reservatório de uma fonte a temperatura quente Tq, 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,
ΔSg= - Q/T_q<0.
Para o reservatório,
ΔSR= Q/Tf>0.
A variação total da entropia do sistema gás mais reservatório é positiva,
ΔS=ΔSg+ΔSR= Q/Tf-Q/Tq>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, Qq, realiza trabalho W e libera calor para a fonte fria, Qf, a entropia total é nula.
ΔS=ΔSg+ΔSR=Qq/Tq - Qf/Tf=0.
Portanto,
Qq/Qf=Tq/Tf(Temperatura da fonte quente dividida pela temperatura da fonte fria.)
Neste caso, o rendimento torna-se:
𝜼=1-Tq/Tf.
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.
2- ENEM 2021-digital realizada esse ano. Em um manual de instruções de uma geladeira, constam as seguintes recomendações:
• Mantenha a porta de seu refrigerador aberta apenas o tempo necessário;
• É importante não obstruir a circulação do ar com a má distribuição dos alimentos nas prateleiras;
• Deixe um espaço de, no mínimo, 5 cm entre a parte traseira do produto (dissipador serpentinado) e a parede.
Com base nos princípios da termodinâmica, as justificativas para essas recomendações são, respectivamente:
Mudança de Fase, no gráfico da pressão versus temperatura.
Velocidade média das moléculas de um gás ideal depende da temperatura. A definição do número de moles: massa dividido pela massa Molar.
Exemplo. Qual o número de moles de uma massa de 128g de um gás de oxigênio?
Solução
Massa molar do oxigênio é M=32g;/mol.
Portanto,
n=m/M=128/32=4 moles.
M=NA multiplicado pela sua massa atômica.
Número de Avogrado:
NA=6,023 x 1023 moles
A massa molecular da molécula de água (dois hidrogênio e um oxigênio) é
M= 18g/mol.
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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.
3- ENEM 2021-digital. Os materiais são classificados pela sua natureza química e estrutural, e as diferentes aplicações requerem características específicas, como a condutibilidade térmica, quando são utilizados, por exemplo, em utensílios de cozinha. Assim, os alimentos são acondicionados em recipientes que podem manter a temperatura após o preparo. Considere a tabela, que apresenta a condutibilidade térmica (K) de diferentes materiais utilizados na confecção de panelas.
Qual dos materiais é o recomendado para manter um alimento aquecido por um maior intervalo de tempo?
4- O leite UHT (do inglês Ultra-High Temperature) é o leite tratado termicamente por um processo que recebe o nome de ultrapasteurização. Elevando sua temperatura homogeneamente a 135 °C por apenas 1 ou 2 segundos, o leite é esterilizado sem prejudicar significativamente seu sabor e aparência. Desse modo, ele pode ser armazenado, sem a necessidade de refrigeração, por meses. Para alcançar essa temperatura sem que a água que o compõe vaporize, o leite é aquecido em alta pressão. É necessário, entretanto, resfriar o leite rapidamente para evitar o seu cozimento. Para tanto, a pressão é reduzida subitamente, de modo que parte da água vaporize e a temperatura diminua.
O processo termodinâmico que explica essa redução súbita de temperatura é a
5- As panelas de pressão reduzem o tempo de cozimento dos alimentos por elevar a temperatura de ebulição da água. Os usuários conhecedores do utensílio normalmente abaixam a intensidade do fogo em panelas de pressão após estas iniciarem a saída dos vapores. Ao abaixar o fogo, reduz-se a chama, pois assim evita-se o(a)
6. (ENEM-MEC) O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados a seguir.
A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve
a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa.
b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local.
c) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela.
d) à quantidade de vapor que esta sendo liberada pela válvula.
e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns.
7- ENEM-MEC) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida
em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece
a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor.
b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo.
c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho.
d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás.
e) na carburação, com a difusão do combustível no ar.
8- (ENEM-MEC) A refrigeração e o congelamento de alimentos são responsáveis por uma parte significativa do consumo de energia elétrica numa residência típica.
Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais:
I – Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do quente para cima.
II – Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de calor no congelador
III – Limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, para que a gordura e o poeira que nele se depositam não reduzam a transferência de calor para o ambiente.
Para uma geladeira tradicional é correto indicar, apenas,
a) a operação I
b) a operação II.
c) as operações I e II.
d) as operações I e III.
e) as operações II e III.
9- Questão 93 do ENEM 2020, realizado em janeiro de 2021. A nanotecnologia pode ser caracterizada quando os
compostos estão na ordem de milionésimos de milímetros,
como na utilização de nanomateriais catalíticos nos
processos industriais. O uso desses materiais aumenta
a eficiência da produção, consome menos energia e gera
menores quantidades de resíduos. O sucesso dessa
aplicação tecnológica muitas vezes está relacionado ao
aumento da velocidade da reação química envolvida.
O êxito da aplicação dessa tecnologia é por causa
da realização de reações químicas que ocorrem em
condições de
A alta pressão.
B alta temperatura.
C excesso de reagentes.
D maior superfície de contato.
E elevada energia de ativação.
∆Q⇾Variação de calor sensível ocorre a volume constante ou a pressão constante, sob uma variação da temperatura ∆T. Quando o equilíbrio térmico for atingido cessará o calor.
∆T⇾variação de temperatura, isto é, ∆T= temperatura final menos a temperatura inicial.
Leia mais sobre a diferença entre temperatura e Calor.
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