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SUMÁRIO
- TEMPERATURA E CALOR......................................................................................................
- A ABSORÇÃO DE CALOR POR SÓLIDOS E LÍQUIDOS.......................................................
- A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA...........................................................................
- CALOR E TRABALHO..............................................................................................................
- PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA.....................................................................................
- ALGUNS CASOS ESPECIAIS DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA.............................
- MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR.................................................................
- ENTROPIA..........................................................................................................................
- PROCESSOS IRREVERSÍVEIS E ENTROPIA........................................................................
- VARIAÇÃO DE ENTROPIA......................................................................................................
- SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA....................................................................................
- ENTROPIA NO MUNDO REAL: MÁQUINAS TÉRMICAS..................................................
- A MÁQUINA DE CARNOT........................................................................................................
- EFICIÊNCIA DE UMA MÁQUINA DE CARNOT.......................................................................
- A MÁQUINA DE STIRLING......................................................................................................
- REFRIGERADORES E MÁQUINAS TÉRMICAS REAIS...................................................
- UMA VISÃO ESTATÍSTICA DA ENTROPIA.......................................................................
- REFERÊNCIAS:.....................................................................................................................
CAPÍTULO 22 HALLIDAY
ABSORÇÃO DE CALOR
TEMPERATURA E CALOR
O sistema seria, por exemplo, um refrigerante gelado, e o ambiente seria o meio em que este refrigerante está inserido, por exemplo, a cozinha.
Definição de calor: É a energia trocada entre um sistema e o ambiente devido a uma diferença de temperatura. Unidades: A caloria(cal) foi definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a
temperatura da água. 1 cal = 3,968 x 10 −3Btu = 4,1868 J
A ABSORÇÃO DE CALOR POR SÓLIDOS E LÍQUIDOS
Capacidade Térmica: Q=C∆T=C(Tf-Ti); Ti=temperatura inicial Tf=temperatura final Q=calor C=capacidade térmica
variação de volume é dado por dW=p dV, onde p é a pressão do gás e dV é a variação infinitesimal de volume.
Trabalho total realizado quando o volume varia de Vi para Vf é a integral W= 𝑉𝑖
𝑉𝑓 ∫ 𝑝𝑑𝑉
(a) A área sombreada indica o trabalho W realizado por um sistema ao passar de um estado inicial i para um estado final f. O trabalho W é positivo porque ocorre um aumento no volume do sistema.
(b) O trabalho W permanece positivo, porém agora seu valor é maior.
(c) O trabalho W ainda é positivo, mas desta vez é menor.
(d) O valor de W pode ser ainda menor (seguindo a trajetória icdf) ou ainda maior (seguindo a trajetória ighf).
(e) Nesse caso, o sistema se desloca do estado f para o estado i, com o gás sendo comprimido por uma força externa, o que diminui seu volume e torna o trabalho W realizado pelo sistema negativo.
(f) O trabalho total Wtot, realizado pelo sistema durante um ciclo completo, é representado pela área sombreada.
Processo Inverso: É aquele que pode ser "desfeito" retornando ao estado inicial sem deixar nenhuma mudança no sistema e nas suas vizinhanças. Isso significa que tanto o sistema quanto o ambiente retornam exatamente às suas condições originais após o processo ser invertido.
Trabalho negativo: ocorre quando o sistema recebe trabalho do ambiente, em vez de realizá-lo.
Processo Cíclico: ocorre quando um sistema passa por uma série de transformações e retorna ao seu estado inicial, fechando um "ciclo" no diagrama de estado (como P-V, T-S, etc.).
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
A Primeira Lei da Termodinâmica é essencialmente a lei da conservação da energia aplicada a sistemas termodinâmicos , levando em conta trocas de calor e trabalho. Ela estabelece uma relação quantitativa entre essas grandezas e a energia interna de um sistema.
A primeira lei é expressa por:
∆Eint=Q-W
∆Eint: Variação da energia interna do sistema.
Q: Calor transferido para o sistema (positivo se absorvido, negativo se liberado).
W: Trabalho realizado pelo sistema (positivo se o sistema expande, negativo se é comprimido).
ALGUNS CASOS ESPECIAIS DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Processos adiabáticos: Um processo adiabático é um processo termodinâmico no qual não há transferência de calor ( Q =0) entre o sistema e suas vizinhanças.
∆Eint=-W
Processos a volume constante: Um processo isocórico (ou isovolumétrico) é um processo termodinâmico no qual o volume do sistema permanece constante (ΔV=0). Como não há variação de volume, o trabalho realizado pelo sistema é zero (W=0).
A maioria dos processos naturais exibe uma direção única e espontânea, que aceitamos como senso comum. A ocorrência do processo inverso nos surpreenderia, embora tal inversão não violaria a lei da conservação de energia. Exemplos como o resfriamento das mãos ao tocar uma xícara quente ou a remontagem espontânea de um balão de hélio ilustram essa irreversibilidade, apesar da conservação energética. A chave para entender essa direcionalidade reside na entropia, e não na energia.
VARIAÇÃO DE ENTROPIA
A variação de entropia (ΔS) é a propriedade que determina a direção dos processos irreversíveis. O postulado fundamental é que todo processo irreversível em um sistema fechado resulta em um aumento da entropia. Diferentemente da energia, a entropia não é conservada e serve como a "seta do tempo". A variação de entropia pode ser definida em termos da temperatura e do calor transferido (dS=dQ/T) ou pelo número de microestados do sistema. Para calcular ΔS em processos irreversíveis como a expansão livre de um gás ideal, recorre-se a um processo reversível que conecte os mesmos estados inicial e final, como uma expansão isotérmica reversível (ΔS=Q/T). A entropia é uma função de estado, dependendo apenas dos estados inicial e final.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
A Segunda Lei da Termodinâmica, em termos de entropia, estabelece que a entropia de um sistema fechado aumenta para processos irreversíveis e permanece constante para processos reversíveis (ΔS≥0). Em sistemas isolados, a entropia total nunca diminui, mesmo que possa haver diminuições locais.
ENTROPIA NO MUNDO REAL: MÁQUINAS TÉRMICAS
A MÁQUINA DE CARNOT
A Máquina de Carnot é uma máquina térmica ideal que opera em um ciclo reversível composto por duas isotermas e duas adiabáticas. Ela representa o limite teórico máximo de eficiência para qualquer máquina térmica operando entre duas temperaturas.
EFICIÊNCIA DE UMA MÁQUINA DE CARNOT
A eficiência de uma máquina térmica é definida como a razão entre o trabalho realizado e o calor absorvido da fonte quente (ϵ =W/∣Q∣). Para a Máquina de Carnot, a eficiência é dada por:
onde TQ e TF são as temperaturas absolutas das fontes quente e fria. A Segunda Lei da Termodinâmica implica que nenhuma máquina real pode atingir ou superar essa eficiência.
A MÁQUINA DE STIRLING
A Máquina de Stirling é outro tipo de máquina térmica ideal, mas seu ciclo difere do ciclo de Carnot, envolvendo processos a volume constante em vez de adiabáticos entre as isotermas. Embora ideal, a eficiência de uma máquina de Stirling operando entre as mesmas temperaturas é menor que a de uma máquina de Carnot. Máquinas de Stirling reais possuem eficiências ainda menores devido a irreversibilidades.
REFRIGERADORES E MÁQUINAS TÉRMICAS REAIS
Refrigeradores: Utilizam trabalho para transferir calor de uma fonte fria para uma quente em um ciclo. O desempenho é medido pelo coeficiente K=∣QF∣/∣W∣. O refrigerador de Carnot tem o K máximo teórico é dado por:
A Segunda Lei impede refrigeradores perfeitos (sem trabalho).
Eficiência de Máquinas Reais: A eficiência (ϵ =W/∣Q∣) de máquinas térmicas reais é sempre menor que a da máquina de Carnot (ϵC=1−TF/TQ) operando entre as mesmas temperaturas devido a processos irreversíveis. Uma máquina mais eficiente que a de Carnot violaria a Segunda Lei, permitindo a transferência espontânea de calor de uma fonte fria para uma quente sem trabalho.
REFERÊNCIAS:
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
