Termodinamica. Definição e conceitos fundamentais. Substancias puras e propriedades

ATPS DE TERMODINÂMICA

DEFINIÇÃO E CONCEITOS FUNDAMENTAIS. SUBSTANCIAS PURAS E PROPRIEDADES

Etapa 1- Passo (1)

Introdução: O que é Termodinâmica / Sistema Termodinâmico

É a parte da física que estuda as relações quantitativas e as possibilidades de transformação da energia calorífica em energia mecânica e vice-versa; num sentido mais geral, é o estudo das relações entre o calor e outras formas de energia, ou o estudo das interações entre os sistemas materiais e os seus efeitos nos estados desses sistemas. (Dicionário da Porto Editora – Portugal).

É o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.

Origem etimológica: derivação do grego ------- Thérme “Calor” + Dýnamis “Força

Vários cientistas contribuíram para o desenvolvimento da termodinâmica clássica e suas leis, tais como: Nicolas Léonard Sadi Carnot (1791 - 1832);Julius Robert Mayer (1814 - 1878); Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 – 1888);James Prescott Joule (1818 - 1889); Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 - 1894);Germain Henri Hess (1802 - 1850); Marcelin-Pierre Berthelot (1827 - 1907);Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 – 1888);William Thomson ( Lord Kelvin) (1824 - 1907);James Clerk Maxwell (1831 - 1879); Ludwig Edward Boltzmann (1844 – 1906);Josiah Williard Gibbs (1839 - 1903);Walther Hermann Nerst (1864 - 1941);Max Karl Ludwig Planck (1858 - 1947).

Um sistema termodinâmico é qualquer região ou espaço circunscrito por limites reais ou imaginários, selecionados com o objetivo de estudar a energia

ETAPA 1 - Passo 2 (equipe)

1 - Pesquisar como funciona o sistema de refrigeração de um motor de combustão interna, qual é o tipo de substância utilizada como líquido de arrefecimento e quais as suas propriedades.

Nos motores a combustão interna o calor que chega à estrutura dos mesmos devido às explosões e aos atritos ocasionado entre as suas partes móveis deve ser rapidamente entregue ao ar ambiente. Em outras palavras, o motor precisa ser rapidamente arrefecido. Mas como faze-lo do modo mais rápido e eficiente possível? Há dois sistemas clássicos de refrigeração, desde a origem da história dos motores: O sistema de refrigeração a ar e o sistema de refrigeração Líquida.

O sistema de arrefecimento a ar é mais leve. Em vez de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar a transferência de calor para o ar. Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser dispensada.

O sistema de refrigeração Liquida é mais eficiente. Um moderno sistema de refrigeração líquida é composto por várias partes: O radiador, a camisa liquida dos cilindros (ou camisa d’agua), as mangueiras de conexão (ou mangotes), o ventilador, a bomba d’agua, a tampa do radiador, a válvula termostática e o liquido refrigerante. O radiador é responsável direto pela manutenção da temperatura do liquido de refrigeração do motor e é destinado especialmente a propiciar uma troca de calor entre dois fluidos, o liquido refrigerante e o ar ambiente. O liquido mais comumente utilizado é a água devido ao elevado valor do seu calor específico e também ao alto valor do seu calor de vaporização, mas não é o único. Em 1927, o químico americano George Oliver Curme

(1888-1976) desenvolveu um método mais eficiente e barato de produção do etilenoglicou (C2H6O2), que por suas propriedades físico-químicas como um ótimo refrigerante para motores, tornou-se o aditivo padrão durante muito tempo até enfrentar, mais recentemente, a concorrência do propilenoglicol que é bem monos tóxico que ele. A sua mistura com agua eleva o ponto de ebulição da mistura e baixa o seu ponto de congelamento. O seu uso em radiadores permite que os mesmos operem em temperaturas mais altas do que as habituais. Abaixo tem-se o quadro comparativo da eficiência e um tal produto em relação à água pura:

2 - Comparar a quantidade de água e de ar necessárias para proporcionar a mesma refrigeração a um motor de automóvel.

Sabe-se que o calor sensível depende da massa (m), do calor específico (c) e da variação de temperatura do corpo (ΔT). A partir dessas considerações encontra-se a relação entre essas variáveis para a quantidade de calor.

Q = m.c.ΔT.

Quando se compara a quantidade de água e de ar para refrigerar um motor é preciso ter em mente que o importante é a massa das substâncias, e não o volume, pois o mesmo é influenciado pela temperatura. Quanto maior a temperatura, maior será o volume, e menor será sua massa, pois a densidade diminuiria. Para provocar as mesmas refrigerações ambas substancias devem ter a mesma temperatura seguindo a fórmula da quantidade de calor temos:

Dados: Car = 0.24cal/gºC ; Ch2o = 1,0 cal/gºC

Qar=Qh2o

m(ar) x c(ar) x Δt(ar) = m(h2o) x c(h2o) x Δt(h2o)

m(ar) x c(ar) = m(h2o) x c(h2o)

c(h2o)/c(ar) =m(ar)/m(h20)

1/0.24=m(h2o) /m(ar)

4 = m(h2o) /m(ar)

Conclusão: Para 1kg de H2O é necessário 1kg de ar

Passo 3 (Equipe)

1- Pesquisar qual a faixa de temperatura em que geralmente o líquido de arrefecimento opera, e o tipo de termômetro utilizado para fazer essa medição da temperatura do motor do carro.

Sabemos que o principal soluto nos líquidos de arrefecimento é o etileno glicol, A sua temperatura de congelamento é de -12,9oC, e a de ebulição é de 197, 3º.A adição de 50% de etileno glicol à água de arrefecimento faz com que a temperatura de congelamento seja inferior a -33C, e a de ebulição, superior a 160ºC. Para medir a temperatura e utilizado um Sensor temperatura líquido de arrefecimento que Informa à central