Sobre o site

Este site tem como objetivo apresentar os conceitos do capítulo 3 do livro "Física, contexto & aplicações, volume 2, por Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga.

Entretanto, ele não usa somente este livro como fonte de pesquisa, e sempre deixamos claro de onde tiramos o conteúdo da postagem, quando não houver nenhuma referência, é porque é conteúdo retirado do livro.

O capítulo 3 fala sobre termodinâmica, que é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia.

A teoria do calórico

• Se dois objetos a temperaturas diferentes entram em contato, eles atingem a mesma temperatura.

No séc XIX, cientistas defendiam a existência de uma substância fluida, invisível e de peso desprezível contido dentro dos materiais chamado “calórico”. Quanto maior a temperatura de um objeto, maior a quantidade de calórico dentro desse objeto. Ou seja, no contato entre dois materiais,”havia trocas de calórico” entre os dois materiais, quando os objetos atingiam a mesma temperatura, o fluxo de calórico era interrompido.

Apesar dessa teoria explicar alguns fenômenos, mas alguns físicos ficaram insatisfeitos com os princípios fundamentais dessa teoria, o que fez ela ser substituída por outra, que trata o calor como energia...

Calor é energia

A ideia de calor como energia foi introduzido por um engenheiro militar, chamado Rumford, que em 1798, trabalhava na perfuração de canos de canhão. Ao perceber que as peças eram aquecidas ao serem perfuradas, Rumford notou ser possível atribuir o aquecimento, ao trabalho que era realizado contra o atrito, na perfuração. Ou seja, a energia usada na realização daquele trabalho era transferida para as peças, provocando seu aquecimento. Assim, a antiga ideia de que objetos mais aquecidos possuíam uma maior quantidade de “calórico”, foi substituída pela concepção de que esses objetos possuem mais energia.

Essa teoria causou muitas discussões entre os cientistas do séc XIX, alguns deles, com destaque para James P. Joule, realizaram experiências que confirmaram a teoria de Rumford, de que calor é, na verdade, uma forma de energia. Para saber mais sobre a história da termodinâmica:

http://www.ifsc.usp.br/~donoso/termodinamica/Historia_Termodinamica.pdf

(Figura 1: A esquerda, Benjamin Thompson, o “Conde de Rumford, a direita, James P. Joule).

Unidades de calor

Uma vez estabelecido que calor é uma forma de energia, deve-se medir a quantidade de calor em unidades de energia. Costuma-se medir a quantidade de energia por “joule”, mas existe outra unidade de medida, ainda muito utilizada, proveniente da teoria do calórico, chamada “caloria”. Denomina-se 1 caloria = 1 cal, “1 cal”, é a quantidade de calor que deve ser transferida a 1g de água para que esta tenha sua temperatura aumentada em 1°C.
Em suas experiências, Joule estabeleceu a relação entre essas duas unidades, encontrando= “1 cal = 4,18J”.

(Figura 2 = “1 caloria, é a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C a temperatura de 1g de água).

Condução, convecção e radiação

Condução

Supondo que uma pessoa está segurando uma barra metálica em uma de suas extremidades e está aquecendo a outra, os átomos da parte que está sendo aquecida recebem maior energia de agitação, depois de algum tempo, a pessoa que está segurando a barra na outra extremidade sentirá um aumento na temperatura, ou seja houve uma transmissão de calor ao longo da barra. Esse fenômeno continuará enquanto houver uma diferença de temperatura entre as duas extremidades. Essa transmissão foi feita através da agitação dos átomos da barra, transferida um para o outro, esse processo é chamado de “condução”.

Convecção

Quando um recipiente com água é colocado sobre uma chama, a água presente no fundo recebe calor, por condução, fica menos densa e indo para a parte superior do recipiente, fazendo com que a água mais fria ocupe o lugar onde antes estava a água mais quente e o processo recomece. Este processo é denominado “correntes de convecção”.

Assim, o calor é transmitido por todo o líquido até que se alcance a temperatura de ebulição.

(A formação de ventos se deve a essas correntes de convecção).

Radiação

Se uma lâmpada incandescente for colocada dentro de um recipiente com vácuo, sem, no entanto, ter contato com esse recipiente, pode-se confirmar, utilizando um termômetro, por exemplo, que houve uma troca de energia entre os dois, no vácuo. Essa transmissão não pode ser feita por condução ou convecção, pois esses processos só podem ocorrer quando há um meio ou um material no qual esse calor é transmitido. Nesse caso, a transmissão de calor foi feita por outro processo, denominado “Radiação”. O calor do sol chega na terra através do mesmo processo, uma vez que há vácuo entre eles.

Todos os objetos aquecidos emitem radiações térmicas que, ao serem absorvidas por outros objetos, provocam nele uma elevação de temperatura. Essas radiações são constituídas de ondas eletromagnéticas (o grupo 8 vai explicar isso melhor), que são capazes de se propagar no vácuo com a velocidade da luz.

Capacidade térmica e calor específico

Observa-se que quando dois objetos distintos recebem a mesma quantidade de calor, a temperatura deles é diferente. Para caracterizar esse comportamento, define-se uma grandeza, chamada capacidade térmica.

Onde, C= capacidade térmica, Q= calor e t= variação de temperatura.

Suponhamos que dois objetos A e B, receberam 100cal, e suas variações de temperatura foram distintas, como mostra a figura abaixo.

Para calcular suas Capacidades térmicas, faz-se a seguinte equação:

Onde, C= capacidade térmica, Q= calor e (Delta)T= variação de temperatura.

Mesmo, em um mesmo material, a quantidade de calor específico pode variar, devido a massa do material.

Trabalho em uma variação de volume

Trabalho em uma variação de volume

Oque é um sistema

(http://www.infoescola.com/fisica/refrigeracao/)

Sistema é utilizada para denominar o objeto que está sendo usado em um certo de ponto de vista físico, tudo que não é sistema, ou seja, tudo ao redor do sistema é denominado universo. Existem 3 tipos de sistemas:

sistema aberto, onde existe troca de energia e matéria;

sistema fechado, onde não há troca de matéria mas existe troca de energia com o universo;

sistema Isolado, onde não existem trocas de energia ou de matéria.

Trabalho realizado em uma expansão

Para se calcular o trabalho realizado em uma expansão em algum recipiente, é utilizado a fórmula T= F x A , que une duas fórmulas,  a do trabalho (t = F.h) e a da Pressão ( P= F.A). Oonde: T= trabalho, F= força exercida, A área total deslocada por conta dessa força e “h” area.

Exemplo:

O cilindro da figura contém uma massa de gás ideal. O êmbolo desse cilindro pode mover-se livremente e sem atrito. O peso sobre esse êmbolo conserva constante a pressão no interior do cilindro.

Quando esse sistema é submetido a um aumento de temperatura, as moléculas do gás recebem energia térmica e começam a movimentar-se, causando uma expansão que desloca o êmbolo para cima a uma altura h.

Isso é um exemplo de onde se pode ser utilizada a fórmula   T=F.A, sabendo que h = A para que se encaixe com o exemplo da figura. t = F.h

T= F.A

http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/trabalho-um-gas.htm

É importante salientar que o trabalho pode ser tanto positivo quanto negativo, sendo que ele é positivo, quando o objeto de estudo (ou o sistema), realizou esse trabalho, causando uma perda em sua energia interna. E ele é positivo, quando é realizado sob o seu objeto de estudo, causando um aumento em sua energia.

1ª Lei da termodinâmica

1ª Lei da termodinâmica

Energia interna

A energia interna de um objeto representa as diversas formas que os átomos e as moléculas desse objeto possuem. De modo geral, quando estudamos um objeto, sua energia interna “U”, nada mais é do que a energia total presente em seu interior.

Quando um sistema vai de um estado inicial i, à um estado f, significa que ele trocou energia com a vizinhança, consequentemente, sua energia sofre variações, ou seja, a energia interna varia de: U=Uf-Ui.

A primeira lei

Consideramos um sistema, como o gás da figura abaixo, fornecemos uma quantidade de calor Q = 100 J. Naturalmente, essa energia é acrescentada ao interior do sistema e tende a provocar um aumento na sua energia interna. Entretanto, suponha que o sistema tenha se expandido, provocando um trabalho de T = 30 J sobre a vizinhança, esse trabalho terá usado parte da energia interna do sistema, que portanto, tende a decrescer 30 J. Assim, a energia tende a crescer 100 J e decrescer 30 J, sendo observada uma variação (U), da energia interna do sistema, cujo valor é: U=100 J-30 J , U=70  J

Generalizando, se um sistema absorve um calor Q, e realiza um trabalho T, o princípio de conservação de energia nos permite concluir que ele sofrerá uma variação (U), dada por:

U=Q-T

Essa equação é valida até mesmo para situações onde o sistema cede calor a vizinhança, porém, o calor (Q), deverá ser negativo, pois ele perde energia.

Ela é válida ainda, quando é realizado um trabalho sobre o sistema, porém, nesses casos, o trabalho (T) deverá ser negativo.

Aplicações

Transformação adiabática

Se um gás está dentro de um cilindro, cujas suas paredes são feitas de um material que é isolante térmico, ele não poderá ceder e nem receber calor da vizinhança. Uma transformação como essa, onde o sistema não troca calor com a vizinhança (Q = 0), é chamada de transformação adiabática.

Quando um gás sofre uma compressão, ou expansão, muito rápida, ela é considerada também como uma transformação adiabática, mesmo que o material que o envolve não seja isolante., Realmente, se a transformação for muito rápida, a energia que o gás recebeu é muito pequena, portanto, podemos considerar Q = 0.

Aplicando a lei da termodinâmica, temos U=Q-t, com Q = 0, temos: U=-t ou seja, a variação de energia no sistema é igual ao trabalho negativo, ou seja, o trabalho realizado causou uma perda de energia no sistema.

Um exemplo de transformação adiabática por “velocidade”, soprando na sua mão com a boca aberta, e com a sua boca quase fechada, no segundo caso, o ar estará mais frio, pois o gás sofre uma expansão rápida, ao sair da boca quase fechada

Figura: Quando o gás se expande adiabaticamente, ele realiza trabalho, mas não libera nem recebe calor.

Máquinas térmicas-2ª lei da termodinâmica

O que é uma máquina térmica

Uma máquina térmica, é toda máquina que transforma calor em trabalho.

Apesar de somente no Séc XIX os cientistas associaram o calor como forma de energia, desde a antiguidade sabia-se que o calor podia ser usado para fazer vapor, o qual era capaz de realizar um trabalho mecânico. Essa ideia foi usada pelo inventor grego Heron, que construiu um dispositivo (figura abaixo), que se movimenta devido à força que o vapor a alta pressão faz ao sair pelos seus orifícios laterais. Entretanto, essa máquina não teve aplicações práticas, e somente no século XVIII seriam construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de realizar trabalho em escala indústrial.

A máquina de Watt

As primeiras máquinas térmicas, inventadas no século XVIII, além de precárias, tinham baixo rendimento, ou seja, consumiam muito pra produzir pouco.

Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt, com enormes vantagens, em comparação às outras máquinas existentes. A figura abaixo mostra, de maneira simplificada, a máquina de Watt.

Nesta máquina, o vapor se condensa, gerando uma queda de pressão no interior do cilindro e fazendo com que a válvula volte à posição original. A válvula B é fechada, enquanto a A é aberta, permitindo nova admissão de vapor ao cilindro, repetindo-se o ciclo. Dessa maneira, a roda acoplada ao pistão se mantém em constante rotação.

Esta máquina foi inicialmente empregada para movimentar moinhos e acionar bombas que tiravam água de minas subterrâneas, foi usada posteriormente em locomotivas e máquinas a vapor, e muito usada em fábricas, para acionar os mais diversos dispositivos industriais, causando grande desenvolvimento nessa área. Por isso, ela é considerada um dos fatores que contribuiu para a revolução industrial.

Locomotivas a vapor-turbina a vapor-motor a explosão

A máquina de Watt deu origem a novos modelos, mais aperfeiçoados. Dentre eles, destaca-se aquele usado à muitos anos em locomotivas a vapor.

Na figura: o funcionamento de uma locomotiva a vapor.

Esses modelos de máquinas a vapor, são, atualmente, pouco utilizados. A energia térmica do vapor, continua, no entanto, sendo utilizado em larga escala, nas centrais termelétricas, nas chamadas turbinas a vapor.

Na imagem: funcionamento de uma turbina a vapor.

O princípio básico de funcionamento dessas máquinas é muito mais simples que o da máquina de Watt: um jato de vapor, a altíssima temperatura, é lançado contra um conjunto de lâminas presas a um rotor, colocando a turbina em rotação.

Motor a explosão

No decorrer do século XX, foram inventados vários outros tipos de máquinas térmicas, destacando-se os motores de explosão, as turbinas a vapor, os motores a jato, etc.

Os motores de explosão a gasolina se tornaram muito populares devido ao seu uso em automóveis.

Na imagem: um motor de automóvel com 4 cilindros.

Na imagem abaixo, mostramos um esquema do motor de explosão de 4 tempos, assim denominado pois seu funcionamento se dá em quatro etapas, as quais descrevemos a seguir:

O cilindro possui uma válvula de admissão (A), uma de escapamento (B) e uma vela (V), que é um dispositivo destinado a produzir uma faísca, que provoca a explosão. A mistura explosiva, constituída de gasolina e ar, formada no carburador, chega a câmara de explosão (C), através da válvula A, que é controlada por um sistema de alavancas.

• No 1º tempo a válvula A se abre, permitindo a entrada da mistura, enquanto o pistão desse o cilindro. Também chamada de: Admissão.
• No 2º tempo, a mistura é comprimida na câmara C, (o pistão sobe), e sua temperatura sobe. (As válvulas A e B ficam fechadas). Também chamada de: Compressão.
• No 3º tempo, a vela V produz uma centelha (ou faísca) elétrica, causando a ignição da mistura explosiva. Os gases quentes em alta pressão fazem o pistão descer fazendo um movimento de rotação na roda que está acoplada a ele. Também chamada de: Explosão e expansão.
• No 4º tempo, a válvula B se abre, permitindo o escape dos gases, enquanto o pistão sobe no cilindro. Também chamada de: Exaustão ou escapamento.

Depois disso, há uma nova descida no pistão, e a válvula A se abre, iniciando um novo ciclo.

Rendimento de uma máquina térmica

Uma coisa em comum das máquinas térmicas é que elas operam em ciclo, isto é, retornam periodicamente as condições iniciais, e o funcionamento delas podem ser representados pela figura abaixo:

Ou seja, a máquina usa uma parte do calor para fazer trabalho, e rejeita parte dele para a fonte fria.

Denomina-se rendimento, R, de uma máquina térmica a relação entre o trabalho (T), e o calor (QQ), absorvido durante o ciclo:

R=T/Qq

Logo, o rendimento de uma máquina térmica será diretamente proporcional ao calor que ela realiza, sobre a quantidade de calor absorvido. Assim, se o rendimento de uma máquina for R=0,50(ou R=50%), isso significa que essa máquina transforma metade da energia que ela absorveu em trabalho.

Na figura acima, vemos que QQ=T-Qf, ou T=Qq-Qf, então podemos expressar o rendimento de uma máquina térmica da seguinte maneira:

R=T/Qq=(Qq-Qf)/Qq, ou R=1-Qf/Qq

A 2ª lei da termodinâmica

A 2ª lei da termodinâmica

A lei de Stefan-Boltzmann

Ela trata da irradiação térmica, um processo que não necessita de meio material para transmitir energia térmica. Dessa forma, pode ser definida como a propagação de calor através de ondas eletromagnéticas. Dentre a diversidade de ondas eletromagnéticas, os raios infravermelhos são os que apresentam efeitos térmicos com maior intensidade.

Nas estufas, a luz radiante atravessa suas paredes de vidro transparente, sendo absorvida pelos diversos corpos contidos em seu interior. Em seguida, esta energia é emitida na forma de raios infravermelhos que não conseguem atravessar o vidro. Dessa forma, a temperatura interna se mantém mais elevada do que a temperatura externa.

O mesmo fenômeno é observado quando se trata do efeito estufa, que ocorre pelo fato de o dióxido de carbono e o vapor d’água contidos na atmosfera agirem como dificultadores da propagação dos raios infravermelhos. Com isso, a energia térmica emitida pela Terra fica, em parte, retida na superfície terrestre, provocando seu aquecimento.

O corpo hipotético, que é logicamente um emissor ideal, é denominado corpo negro. Define-se poder emissivo (E) como a potência irradiada por unidade de área. A unidade do poder emissivo é dada em W/m2 (watt por metro quadrado). Dito isso, a lei de Stefan-Boltzmann é definida da seguinte maneira:

Poder emissivo (E) de um corpo negro (cn) é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta (T). Matematicamente, podemos expressar:

Ecn= σ .T4

Onde σ (sigma)é a constante de proporcionalidade, cujo valor, no SI, é:

σ ≅5,7 .10-8  W/m2.K4

Máquinas térmicas-ciclo de carnot

Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%).

Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas Carnot (1796-1832) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser chamado Ciclo de Carnot.

Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da substância:

• Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M)
• Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (M-N)
• Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O)
• Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (O-L)

Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim:

‘ O rendimento de uma máquina de Carnot pode ser expresso por:

e

Logo:

Sendo:

= temperatura absoluta da fonte de resfriamento

= temperatura absoluta da fonte de aquecimento

Com isto pode-se concluir que para haver 100% de rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser 0K. Ao observar essa relação conclui-se que o zero absoluto não é possível para um sistema físico.

Entropia

Em termodinâmica, entropia pode ser descrita como a medida de desordem das partículas em um sistema físico. Utiliza-se a letra S para representar esta grandeza.

Comparando este conceito ao cotidiano, podemos pensar que, uma pessoa ao iniciar uma atividade tem seus objetos organizados, e à medida que ela vai os utilizando e desenvolvendo suas atividades, seus objetos tendem a ficar cada vez mais desorganizados.

Voltando ao contexto das partículas, como sabemos, ao sofrem mudança de temperatura, os corpos alteram o estado de agitação de suas moléculas. Então ao considerarmos esta agitação como a desordem do sistema, podemos concluir que:

• quando um sistema recebe calor Q>0, sua entropia aumenta;
• quando um sistema cede calor Q<0, sua entropia diminui;
• se o sistema não troca calor Q=0, sua entropia permanece constante.

Segundo Rudolf Clausius, que utilizou a idéia de entropia pela primeira vez em 1865, para o estudo da entropia como grandeza física é mais útil conhecer sua variação do que seu valor absoluto. Assim, Clausis definiu que a variação de entropia (ΔS) em um sistema como:

Para processos onde as temperaturas absolutas (T) são constantes.

Para o caso onde a temperatura absoluta se altera durante este processo, o cálculo da variação de entropia envolve cálculo integral, sendo que sua resolução é dada por:

Observando a natureza como um sistema, podemos dizer que o Universo está constantemente recebendo energia, mas não tem capacidade de cedê-la, concluindo então que a entropia do Universo está aumentando com o passar do tempo.