Termodinâmica

Trabalho referente à disciplina de Térmodinâmica Aplicada,

ministrada pelo professor Mauro Figueiredo,

realizado pelo aluno Roger Sanches Lino.

Campinas – SP

Julho 2011.

Introdução

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado, em um 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 se busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza. Assim, o resumo apresentado a seguir, objetiva enfatizar a utilização da termodinâmica no uso das tecnologias de mecânica e eletrônica para fornecer novos produtos, sistemas e processos, bem como a própria engenharia.

1.0 Primeira Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia e, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho. Quando é fornecida a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:

1. Uma parte da energia pode ser

usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.

ΔU= Q – t

Assim, tem-se enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.

Aplicando a lei de conservação da energia, tem-se:

ΔU= Q – t à Q = ΔU + t

*Q à Quantidade de calor trocado com o meio:

Q > 0 à o sistema recebe calor;

Q < 0 à o sistema perde calor.

*ΔU à Variação da energia interna do gás:

ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

*t à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:

t > 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

1.1 Princípio da Conservação da Energia

O princípio da conservação da energia mecânica diz que em um sistema isolado constituído por corpos que interagem apenas com forças conservativas, a energia mecânica total permanece constante. Um corpo em queda livre perde

constantemente energia potencial gravídica, mas, ao mesmo tempo, aumenta a sua velocidade, de forma que aumenta também a sua energia cinética. No caso de não existirem atritos, a diminuição da energia potencial gravídica em qualquer ponto do percurso é igual ao aumento de energia cinética.

Do mesmo modo, se um corpo for lançado para cima, o aumento da energia potencial gravídica entre dois pontos é igual à diminuição da energia cinética.

Este princípio também pode ser aplicado a sistemas em que há transformação de energia potencial elástica em energia cinética, e vice-versa. Como acontece, por exemplo, no caso de uma mola. Pode dizer-se, em geral, que num sistema sobre o qual só atuam forças conservativas, a energia mecânica total do sistema (Em) (soma da energia potencial com a energia cinética) permanece constante, ou seja, é conservada.

Então, no sistema corpo-Terra, a variação da energia mecânica total do sistema é igual a zero. Estas afirmações exprimem de modos diferentes, o mesmo princípio: o da conservação da energia mecânica. Um exemplo prático deste princípio, baseado na contínua transformação de energia potencial gravídica em energia cinética, se considerar desprezáveis os atritos.

O princípio da conservação da energia mecânica é de grande importância para a humanidade. Prova também que é impossível obter trabalho do nada. Quando uma máquina funciona, tem que consumir energia de qualquer fonte.

1.2 Equação Geral da 1º Lei e Equação simplificada

Com base nos estudos realizados

no decorrer da história, viu-se que a primeira lei da termodinâmica trata do balanço energético entre as energias inicial e final do sistema, a energia fornecida e o trabalho realizado pelo sistema, ou seja, podemos afirmar que em qualquer processo termodinâmico analisado, a quantidade de calor Q recebida pelo sistema é igual ao trabalho realizado por ele (T), mais a variação da energia interna (ΔU). ΔK = Diferença de energia cinética (ocorrida por unidade de tempo), ΔP = Diferença de energia potencial (ocorrida por unidade de tempo), ΔU = Diferença de Energia Interna ( ocorrida por unidade de tempo), Δ(pv) = Diferença de energia do fluido ocorrida quando o mesmo entra e quando sai do sistema e dE/dt = Mudança de energia por unidade de tempo ocorrida dentro do

sistema. Assim, a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa, em termos matemáticos, da seguinte maneira:

Q −W = ΔK + ΔP + ΔU + Δ( pv) + dE/ dt

De forma simplificada, a equação da primeira Lei pode ser representada assim:

Q = T + ΔU

A primeira lei da termodinâmica refere-se a um processo, pois tanto o trabalho quanto o calor não podem ser medidos ou calculados para um único estado termodinâmico. Essas duas grandezas só têm significados quando medidas em instantes diferentes.

1.3 Definição de Entalpia

Entalpia é a quantidade de energia em uma determinada