A lei e sua termologia

As leis da termodinâmica e as maquinas térmicas

1 Introdução

 A termodinâmica trata das relações entre calor e trabalho produzidos em processos físicos nos quais um sistema não isolado interage com o meio externo. Dessa forma, o calor pode ser convertido em trabalho e o trabalho pode se se transforma em calor.

Considere, por exemplo, um sistema composto por um recipiente contendo água e um êmbolo acoplado. Ao fornecermos calor (energia térmica) ao recipiente, as moléculas de água aumentam sua energia cinética. Se o aquecimento permanece, a água evapora e a expansão desse vapor movimenta o êmbolo para cima. ”

O advento dos motores de combustão e outras máquinas térmicas somente foi possível com aprofundamento dos estudos na área da Termodinâmica. Essas máquinas térmicas têm seu funcionamento explicado com base no princípio de que o calor é energia e, assim, pode ser convertido em trabalho. Nas primeiras máquinas a vapor, a queima de um combustível (carvão usualmente), gerava calor que aquecia e vaporizava determinada massa da água. O vapor acionava uma turbina que poderia produzir movimento ou energia elétrica. Atualmente, nos automóveis, o motor de combustão é também um exemplo de máquina termina, na qual a rápida expansão dos gases, após conclusão, movimento pistões que transmitem movimento  do para o carro.

2 Trabalho numa transformação gasosa

Suponho um cilindro, contendo uma quantidade de gás, possui um êmbolo com movimento livre e sobre o qual há uma esfera de massa m. A pressão sobre o gás, que é a pressão atmosférica mais a pressão devida ao peso da espera, é sempre constante, visto que nenhuma delas se altera. “

O processo se inicia com uma fonte térmica fornecendo um calor cilindro, provocando expansão de gás e o deslocamento d do êmbolo. Portanto, temos variação de temperatura e de volume para os valores T² e V², com pressão constante p.

Quando ocorre expansão (aumento do gás), consideramos que o gás realizou trabalho (positivo). Quando e compressão (diminuição do volume) consideramos  que o trabalho (negativo) foi realizado sobre ele. Senão alteração no volume (sem deslocamento do pistão), não haverá realizado.

3 Energia interna de um gás perfeito

Durante nosso estudo sobre Termodinâmica, tentamos compreender o comportamento das partículas do gás durante as transformações pelas quais ele passa. De fato, sabemos que, quando esquecemos um gás de modo que sua temperatura aumente, a energia cinética de suas partículas também aumenta. Entretanto, se as partículas do gás não foram monoatômicas, isto é, formadas por somente um único átomo, a energia de interação entre os átomos qu formam a molécula também é alterada.

Simplificadamente, podemos pensar da seguinte maneira: para um gás composto de moléculas com somente um átomo, a variação de temperatura do gás acarreta a variação da velocidade e da energia cinética das partículas constituintes do gás, chamada energia cinética de translação. Nesse casa, não energia cinética de rotação e vibração nem energia de interação entre os átomos, pois as partículas são formadas por um átomo apenas. Para os gases formados com moléculas de mais de um átomo, a variação da temperatura provoca, além da variação da energia cinética (nesse caso de translação, rotação e vibração), a variação da energia de interação dos átomos.

Para conseguirmos quantificar como ocorre essas transformações, definimos a grandeza energia interna de um sistema ou gás como a soma das energias cinética ( translação, rotação e vibração) e da energia de interação entre os átomos. Essa energia de interação se origina das energias potencias elétricas que ligam os átomo entre si.  Entretanto, determinar uma expressão para a energia interna de um gás não é simples.

Para os gases reais, embora a expressão da energia interna seja muito complicada, ela mantém uma relação direta com a temperatura. Isso que dizer que, se a temperatura  de um gás aumenta, a energia interna também aumenta. De maneira contrária, se a temperatura diminui, a energia interna também diminui, por fim, se não houver variação de temperatura, a energia interna do gás também se mantem constante.

Para sistema não gasosos, há situação em que a energia interna de um sistema varia, mas a temperatura permanece constante durante o processo, como nas mudanças de estado físico. Vale lembrar que nesses processos uma substância, sob pressão constante, recebe ou perde calor sem que sua temperatura varie.

4 Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da Termodinâmica constitui-se no principio da conservação de energia. Isso significa que o valor da energia de um sistema é constante, não podendo ser criada ou destruída, apenas transformada. Assim, se uma maquina térmica receber, por exemplo, 20 J de energia elétrica, parte será transformada em calor e parte em energia mecânica. A soma da energia térmica e mecânica será 20 J.

 Apesar de válida para qualquer sistema, vamos aplicá-la ao estudo do comportamento dos gases ideais, pois a primeira lei da termodinâmica relaciona a energia interna de um gás, o trabalho realizado ou sofrido por ele e o calor trocado com o ambiente.

Para tentar expressar como se dá essa relação entre as grandezas citadas, podemos pensar em como é possível aumentar a energia interna de um sistema.

Existem maneiras de aumentar a temperatura e a energia interna do gás contido no recipiente. Naturalmente, a primeira ideia é aquecer o gás, ou seja, fazer com que receba calor do ambiente. A segunda, e menos óbvia, é realizar trabalho sobre o gás, por exemplo, em uma compressão. Esse rápido exemplo mostra que de fato há uma relação entre essas grandezas. ”

Da mesma forma, podemos pensar sobre o que ocorre quando fornecemos uma quantidade de energia em forma de calor a um sistema. Temos que parte dessa energia pode ser dinterna.

5 As transformações gasosas 2

No capitulo anterior, vimos três transformações gasosas nas quais pelo menos uma das três variáveis de estado (pressão, volume ou temperatura) se mantinha constante durante o processo. Na ocasião, analisamos somente o comportamento dessas variáveis. Agora, além de retomar as mesmas transformações do ponto de vista da energia, vamos estuda uma quarta transformação, que recebe o nome de adiabática.