Atps Mecanica

INTRODUÇÃO

A liberação de energia pode ser usada para promover calor quando um combustível queima em um forno, para produzir trabalho mecânico quando um combustível queima em um motor e para produzir trabalho elétrico quando uma reação química joga elétrons através de um circuito. A termodinâmica, o estudo das transformações de energia, nos permite discutir todos esses assuntos de maneira quantitativa e fazer previsões úteis.

O tipo de sistema depende das características da fronteira que o separa das vizinhanças. Se a matéria pode atravessar a fronteira entre sistema e vizinhanças, o sistema é classificado como aberto. Se a matéria não pode passar pela fronteira o sistema é classificado como fechado. Mas ambos estes sistemas podem trocar energia com suas vizinhanças. Por exemplo, um sistema fechado pode expandir e erguer um peso e também pode transferir energia se as vizinhanças estiverem a uma temperatura mais baixa. Um sistema isolado é fechado, e não realiza trabalho mecânico ou tem contato térmico com suas vizinhanças.

A 1ª LEI DA TERMODINAMICA

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Durante uma transformação, o gás pode trocar energia com o meio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado destas trocas energéticas, a energia interna do gás pode aumentar diminuir ou permanecer constante.

A primeira lei da termodinâmica é, então, uma Lei da Conservação da Energia. Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho τ e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

EQUAÇÃO MATEMATICA

Figura 1http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/termodinamica-1-calor-trabalho-e-rendimento.htm

O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume.

U é a energia interna.

R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).

T é a temperatura.

n é o numero de mols.

Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema

Sendo todas as unidades medidas em Joule (1 cal = 4,1868J).

1ª lei nas transformações gasosas

APLICAÇÃO DIARIA

• Ocorrem na natureza, várias transformações ou conversões de uma forma de energia em outra. Por exemplo, a energia luminosa do Sol é devida à transformação da energia nuclear em energia radiante; a energia eólica (dos ventos) é convertida em energia elétrica, assim como a energia solar.

• A água dos oceanos e lagos evaporam-se na atmosfera devido ao aquecimento produzido pela energia radiante do Sol. O vapor se condensa (nuvens) e forma-se a chuva que cai e move geradores de usinas elétricas e a corrente elétrica adquirida pode iluminar casas ou carregar baterias químicas como a de um automóvel que se transforma em energia mecânica possibilitando o movimento do veículo.

• Muitas máquinas têm como objetivo a realização de trabalho, e para consegui-lo, utilizam energia que é, muitas vezes, recebida pela máquina sob a forma de calor. As máquinas que recebem energia sob a forma de calor de modo a poderem realizar trabalho, designam-se por máquinas térmicas.

Uma máquina térmica, como o modelo de funcionamento de um motor de um automóvel, é um sistema que executa uma transformação cíclica, isto é, a máquina térmica passa periodicamente pelo mesmo estado. Como os estados inicial e final de um ciclo são os mesmos, a energia interna nesses estados é igual, e assim, a variação de energia interna ao fim de um ciclo é nula.

Deste modo, aplicando a 1ª lei da termodinâmica a uma máquina térmica ao fim de um ciclo:

Figura 2http://www.infoescola.com/fisica/maquina-termica/

Por exemplo, num motor de explosão de um automóvel, a energia obtida sob a forma de calor na câmara de combustão devido à explosão da mistura de ar e gasolina, causa a expansão dessa mistura gasosa. Esta expansão empurra um pistão ou êmbolo, realizando trabalho sobre o exterior. De seguida, os gases resultantes da combustão são expelidos para o exterior, entrando novamente para a câmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetir-se, ou seja, é um processo cíclico.

O movimento do êmbolo ou pistão, a que equivale uma certa quantidade de trabalho, apenas acontece porque se fornece energia ao motor e, segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho efetivo realizado por uma máquina térmica não pode ser superior à energia recebida sob a forma de calor.

Na realidade, o trabalho realizado é sempre inferior à energia recebida sob a forma de calor, isto é, nem toda essa energia recebida é usada para realizar trabalho. Por exemplo, parte da energia recebida pela máquina sob a forma de calor provoca o aumento da temperatura da máquina (que depois é preciso arrefecer).

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

Calor Trabalho Energia Interna Q/ /ΔU

Recebe Realiza Aumenta >0

Cede Recebe Diminui <0