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Resumo da Termodinâmica: Energia, Trabalho e Transformações de Gás, Notas de estudo de Termodinâmica

Este resumo aborda conceitos básicos da termodinâmica, incluindo a energia interna, trabalho nas transformações gasosas, e as primeiras leis da termodinâmica. Aprenda sobre a relação entre energia, temperatura e volume, e como o gás realiza trabalho durante transformações isobáricas e isovolumétricas.

O que você vai aprender

  • Como o gás realiza trabalho durante transformações isobáricas e isovolumétricas?
  • Qual é a relação entre energia interna e temperatura absoluta?
  • Quais as primeiras leis da termodinâmica e como elas se aplicam a transformações gasosas?

Tipologia: Notas de estudo

2022

Compartilhado em 07/11/2022

Vasco_da_Gama
Vasco_da_Gama 🇧🇷

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Resumo sobre Termodinâmica Prof. Fernando - Colégio Tiradentes da PMMG Barbacena - MG
Resumo sobre Termodinâmica
Termodinâmica é o ramo da física que relaciona as propriedades macroscópicas da matéria com a energia
trocada, seja ela sob a forma de calor (Q) ou de trabalho (𝜏), entre corpos ou sistemas.
Energia interna
Energia interna (U) corresponde à soma de várias parcelas, tais como: energia cinética média das moléculas,
energia potencial de configuração (relacionada às forças intermoleculares), energia cinética de rotação das
moléculas e das partículas elementares presentes nos átomos, etc. Nos processos termodinâmicos, a variação
da energia interna, ΔU, está sempre relacionada com a variação da temperatura absoluta, ΔT, pois quando a
temperatura varia, ocorre variação da energia cinética média das moléculas de um gás. A energia interna de
uma dada massa de gás perfeito monoatômico depende exclusivamente de sua temperatura absoluta.
Trabalho nas transformações gasosas
Quando um gás sofre uma variação de volume ΔV, durante uma transformação termodinâmica, há a realização
de um trabalho 𝜏 e, consequentemente, troca de energia mecânica com o meio exterior. A realização de
trabalho durante uma transformação gasosa pode, então, ser interpretada como uma medida de energia trocada
pelo sistema gasoso com a vizinhança, sem a necessidade de uma diferença de temperatura.
Para uma transformação isobárica, demonstra-se que o trabalho das forças de pressão do gás é dado por:
𝜏 = p ΔV
Portanto, temos:
Se o volume do gás aumenta, (expansão), o gás realiza trabalho contra o meio exterior.
ΔV > 0 𝜏 > 0
Se o volume do gás diminui (compressão), o gás recebe trabalho do meio exterior.
ΔV < 0 𝜏 < 0
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Resumo sobre Termodinâmica

Termodinâmica é o ramo da física que relaciona as propriedades macroscópicas da matéria com a energia

trocada, seja ela sob a forma de calor (Q) ou de trabalho (𝜏), entre corpos ou sistemas.

Energia interna

Energia interna ( U ) corresponde à soma de várias parcelas, tais como: energia cinética média das moléculas, energia potencial de configuração (relacionada às forças intermoleculares), energia cinética de rotação das moléculas e das partículas elementares presentes nos átomos, etc. Nos processos termodinâmicos, a variação da energia interna, Δ U , está sempre relacionada com a variação da temperatura absoluta, Δ T , pois quando a temperatura varia, ocorre variação da energia cinética média das moléculas de um gás. A energia interna de uma dada massa de gás perfeito monoatômico depende exclusivamente de sua temperatura absoluta.

Trabalho nas transformações gasosas

Quando um gás sofre uma variação de volume Δ V , durante uma transformação termodinâmica, há a realização

de um trabalho 𝜏 e, consequentemente, troca de energia mecânica com o meio exterior. A realização de

trabalho durante uma transformação gasosa pode, então, ser interpretada como uma medida de energia trocada pelo sistema gasoso com a vizinhança, sem a necessidade de uma diferença de temperatura. Para uma transformação isobárica, demonstra-se que o trabalho das forças de pressão do gás é dado por:

𝜏 = p ⋅ Δ V

Portanto, temos:

➔ Se o volume do gás aumenta, ( expansão ), o gás realiza trabalho contra o meio exterior.

Δ V > 0 ⇨ 𝜏 > 0

➔ Se o volume do gás diminui ( compressão ), o gás recebe trabalho do meio exterior.

Δ V < 0 ⇨ 𝜏 < 0

➔ Se o volume permanece constante , não há troca de trabalho com o meio exterior

Δ V = 0 ⇨ 𝜏 = 0

Observação

Pode-se obter o trabalho através do cálculo da área no diagrama P x V.

Primeira Lei da Termodinâmica

Durante uma transformação, o gás pode trocar energia com o meio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado dessas trocas energéticas, a energia interna do gás pode aumentar, diminuir ou permanecer constante. O primeiro Princípio da Termodinâmica é, então, uma Lei da Conservação de Energia.

Aplicação do primeiro princípio às transformações gasosas

I - Transformação isobárica : o volume e a temperatura absoluta variam numa proporção direta, a energia interna do gás varia, isto é Δ U0. Portanto, pelo PPT , a quantidade de calor trocada Q e o trabalho realizado

𝜏 são necessariamente diferentes:

Segunda Lei da Termodinâmica e Máquinas Térmicas

Enunciados da 2ª Lei da termodinâmica

Máquina Térmica

Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar continuamente ciclos entre uma fonte quente e uma fonte fria, que permanecem em temperaturas constantes. Em cada ciclo, é retirada

uma certa quantidade de calor ( QQ ) da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho (𝜏), sendo

o restante ( QF ) rejeitado para a fonte fria.

Rendimento

O rendimento de uma máquina térmica é dado pela relação entre o trabalho (𝜏) obtido dela (energia útil) e a

quantidade de calor ( QQ ) retirada da fonte quente (energia total):

𝝉 𝑸𝑸

𝑸𝑭 𝑸𝑸

Rendimento máximo – ciclo de Carnot

Carnot demonstrou que o maior rendimento possível para uma máquina térmica entre duas temperaturas TQ (fonte quente) e TF (fonte fria) seria o de uma máquina que realizasse um ciclo teórico constituído de duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas alternadas.