1 / 44

1ª e 2 a Leis

Furukawa - IFUSP Yamamura - FUNDUNESP. TERMODINÂNICA OVERVIEW. 1ª e 2 a Leis. Termodinâmica é a ciência que trata. do calor e do trabalho das características dos sistemas e das propriedades dos fluidos termodinâmicos. Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica.

dalton-woods
Télécharger la présentation

1ª e 2 a Leis

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Furukawa - IFUSP Yamamura - FUNDUNESP TERMODINÂNICA OVERVIEW 1ª e 2a Leis

  2. Termodinâmica é a ciência que trata • do calor e do trabalho • das características dos sistemas e • daspropriedades dos fluidos termodinâmicos

  3. Alguns ilustres pesquisadores que construiram a termodinâmica James Joule 1818 - 1889 Sadi Carnot 1796 - 1832 Emile Claupeyron 1799 - 1864 Rudolf Clausius 1822 - 1888 Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907

  4. Contribuição de James Joule. Lei da Conservação de Energia James P. Joule (1818-1889) Nasceu em Salford - Inglaterra As contribuições de Joule e outros levaram ao surgimento de uma nova disciplina: a Termodinâmica 1a Lei da Termodinâmica

  5. Para entender melhor a 1a Lei de Termodinâmica é preciso compreender as características dos sistemas termodinâmicos e os caminhos “percorridos” pelo calor...

  6. Sistema Termodinâmico Certa massa delimitada por uma fronteira. Sistema fechado Sistema que não troca massa com a vizinhança, mas permite passagem de calor e trabalho por sua fronteira. Vizinhança do sistema. O que fica fora da fronteira Sistema isolado Sistema que não troca energia nem massa com a sua vizinhança.

  7. Transformação Variáveis de estado Variáveis de estado P2 V2 T2 U2 P1 V1 T1 U1 Estado 1 Transformação Estado 2

  8. Processos “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2

  9. Transformações 1a Lei da Termodinâmica Sistema Fechado W > 0→ energia que sai do sistema W < 0→ energia que entra no sistema Q > 0→ calor que entra no sistema Q < 0→ calor que sai do sistema 1a Lei Q = W + ΔU ΔU = U2 – U1 Variação Energia Interna

  10. Variação da Energia Interna ∆U = Q - W Gás Expansão nula W = 0 Δ U = Q = (mc)gásΔT ΔT = 0 → ΔU = 0 ΔT > 0 → ΔU > 0 ΔT < 0 → ΔU < 0 Como U é uma variável de estado, ΔU não depende do processo. Como (mc)gás = ctc ΔU depende apenas de ΔT. A energia interna de um gás é função apenas da temperatura absoluta T.

  11. O calor Q que passa pelas fronteiras do sistema depende do processo.

  12. O trabalho que atravessa a fronteiradepende do processo? ∆U = Q - W W = F.d . W depende de como a pressão e volume mudam no processo. F = Pr.S W = Pr.S.d ∆V = V2 -V1 W = Pr.ΔV

  13. Diagramas P x V Gases ideais Estado 1 1 P1 Como as variáveis de estado se relacionam? T1 no de moles V1 P1V1 = nRT1 Equação de estado Constante dos gases R  = 8,31 J/mol.K = 2 cal/mol.K

  14. Processo isovolumétricoTransformação a volume constante Q = n  CV  (T2-T1) Calor específico molar a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica Transformação de 1 → 2 U = Q - W W = 0 ∆V = 0 Volume invariável Isovolumétrica U = Q = n  CV  (T2-T1)

  15. Processo isobárico Transformação a pressão constante calor específico molar a pressão constante Q =+ n CP(TB - TA) ∆U = n  Cv (TB-TA) W = Po [VB-VA] Calor específico a volume constante 1ª Lei da Termodinâmica U = Q - W

  16. Processo Isotérmico Transformação à temperatura constante Êmbolo movimentado lentamente ∆U = 0→ ∆T=0 0 = Q – W  Q = W = n  R  T  [ln(V2/V1)]

  17. Processo adiabáticoTransformação sem troca de calor O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. Movimento rápido do êmbolo. Q = 0 Q = 0 Primeira Lei da Termodinâmica ∆U = Q - W Q = 0 → ∆U= - W W = -   ∆U = - nCv∆T Compressão adiabática Trabalho transforma-se em calor W Área sob o grafico

  18. Processos cíclicos 1.- ∆Uciclo = ∆U = 0 pois Tfinal = Tinicial 2.- Qciclo = Q 3.- Wciclo = W = área 12341 1a Lei da Termodinâmica ∆Uciclo = Qciclo - Wciclo Qciclo =  Wciclo Wciclo > 0 → Qciclo 0 O sentido do ciclo no diagrama PV :  horário. O sistema recebe Q e entrega W

  19. Máquinas Térmicas “Trabalham” em ciclos.

  20. A máquina de Denis Papin1647 - 1712 Trabalho Para onde a máquina rejeita calor QCold Fonte quente Fonte fria De onde a máquina retira calor QHot. Ciclo

  21. Transformaçõesmáquinas térmicas - Diagrama PV

  22. Ciclo de Otto

  23. Ciclo Diesel

  24. Eficiência térmica: 1ªLei Em cada ciclo ∆U = 0 W = Q1-Q2 Eficiência = W/Q1= (Q1-Q2)/Q1 ε= [1 – Q2/Q1]

  25. Ciclo Refrigerador Bomba de calor Refrigerador 12: compressão adiabática em um compressor 23: processo de rejeição de calor a pressão constante 34: estrangulamento em uma válvula de expansão (com a respectiva queda de pressão) 41: absorção de calor a pressão constante, no evaporador

  26. COP - Coeficiente de Performance Primeira Lei da Termodinâmica Em cada ciclo   ∆U = 0  →   W  + Q2  = Q1 W = Q1 - Q2 Coeficiente de Performance – COP COP refrigerador = Q2/W = Q2/(Q1 - Q2 ) = T2/(T1 – T2) COP bomba calor = Q1/W = Q1/(Q1 - Q2 ) = T1/(T1-T2) Uma bomba de calor necessita de 1.000 W da rede para funcionar e aquece 1 litro de água de 0,5oC /s. Qual o COP desta bomba?

  27. 2a Lei da Termodinâmica Entropia 1a Lei da Termodinâmica 2a Lei da Termodinâmica A energia total do Universo, com ou sem transformações, permanece constante. A disponibilidade de energia para realização de trabalho diminui após cada transformação

  28. Refrigerador ou Bomba de Calor COPRefrigerador = Q2/W COP Bomba Calor = Q1/W Segunda Lei Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. É impossível construir um dispositivo que, operando em ciclo termodinâmico, não produza outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para outro quente.

  29. Máquinas Térmicas W = W2 – W1 ε = W/Q1 = [1 - T2/T1]  < 1 2a LeiTermodinâmica Formulação de Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ou seja uma máquina que retira uma quantidade de calor Q de uma fonte quente e a transforme totalmente em trabalho.

  30. Segunda Lei Termodinâmica Formulação de Clausius É impossível existir transferência espontânea de calor de uma fonte fria para outra quente. Formulação Kelvin-Planck É impossível construir uma máquina térmica com eficiência 100%. Ambas são afirmações negativas. Não podem ser demonstradas. Baseiam-se em evidências experimentais. A 2a Lei enuncia a impossibilidade de construção de moto perpétuo de 2a espécie. 1a Espécie: criaria trabalho do nada. Viola a 1a Lei. 2a Espécie: viola a 2a Lei 3a Espécie: inexistencia de atrito produziria movimento eterno sem realização de trabalho Moto Perpétuo

  31. Qual o limite da eficiência de uma máquina térmica ? ε= [1 – Q2/Q1] Q1→ 0 ε→ 1 ε→ 100% É possível construir esta máquina?

  32. Máquinas Térmicas 100% de rendimento ? Impossível! Qual o máximo rendimento de uma Máquina Térmica?

  33. A construção de uma máquina ideal Definição de um processo ideal. Processo reversível. Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de sentido e retornar ao estado original, sem deixar vestígios no sistema e no meio circundante. Processo reversível: desvio do equilíbrio é infinitesimal e ocorre numa velocidade infinitesimal.

  34. Causas que tornam um processo irreversível. Atrito Expansão não resistida. Mistura de 2 substâncias diferentes. Outros fatores: Efeito Joule, Combustão, Histerese, etc. Troca de calor com diferença finita de temperatura. O processo de troca de calor pode ser reversível se for feita mediante diferença infinitesimal de temperatura, mas que exige tempo infinito ou área infinita. Conclusão: todos os processos reais de troca de calor são irreversíveis.

  35. A máquina ideal de Carnot Ciclo reversível A eficiência da Máquina de Carnot No ciclo: ∆U=0 → W = Q1 - Q2 ε = W/Q1 = [Q1-Q2]/Q1  =  1 -  Q2/Q1   Q2/Q1 = T2/T1 ε =  (1 -  Q2/Q1) = (1 - T2/T1) ε = 1 - T2/T1 BC e DA = adiabáticas Princípio de Carnot "Nenhuma máquina térmica real, operando entre 2 reservatórios térmicos T1 e T2 , pode ser mais eficiente que a "máquina de Carnot" operando entre os mesmos reservatórios"

  36. Entropia Rudolf Clausius Nasceu em Koslin (Polônia) e morreu em Bonn (Alemanha) Físico Teórico - Termodinâmica Apresentou em 1865 a sua versão para as 1a e 2a Leis da Termodinâmica. 1.- A energia do Universo é constante. 2.- A entropia do Universo tende a uma valor máximo. A quantificação da 2a Lei

  37. A desigualdade de Clausius (δQ/T)rev = 0   Σ(δQ/T)irrev < 0    Σ(δQ/T) ≤ 0

  38. A desigualdade de Clausius Σ(δQ/T) no Ciclo de Carnot 1 - Σ(δQ/T)AB =   Q1/T1     (isotérmico, T1 = cte) 2 - Σ(δQ/T)BC  =   0           (adiabático, Q = 0) 3 - Σ(δQ/T)CD =  -Q2/T2    (isotérmico, T2 = cte) 4 - Σ(δQ/T)DA =    0          (adiabático, Q = 0) No ciclo de Carnot  os processos são reversíveis Σ(δQ/T)rev = 0  Σ(δQ/T)ABCDA =   Q1/T1 - Q2/T2 = 0 → Q2/Q1  = T2/T1

  39. Entropia, uma variável de estado No ciclo A1B2A Σ(δQ/T)A1B2A =Σ(δQ/T)A1B + Σ(δQ/T)B2A  = 0 (I) No ciclo A1B3A Σ(δQ/T)A1B3A =Σ(δQ/T)A1B + Σ(δQ/T)B3A = 0 (II) Subtraindo-se (II) de (I) tem-se Σ(δQ/T)B2A  = Σ(δQ/T)B3A Em outras "trajetórias"4, 5,... reversíveis entre A e B, o resultado seria Σ(δQ/T)B2A  = Σ(δQ/T)B3A  = Σ(δQ/T)B4A  = Σ(δQ/T)B5A  = ... Existe uma “variável de estado”, além do V, P, T e U, que caracteriza cada estado térmico de um sistema termodinâmico: é a Entropia (símbolo: S) ∆S = Σ(δQ/T)rev SB –SA=   Σ(δQ/T)rev

  40. Variação de entropia - processo irreversível Ciclo “1” + “2” → reversível Σ(δQ/T) (1+2)ABArev = Σ(δQ/T)1ABrev +  Σ(δQ/T)2BArev = 0  Σ(δQ/T)1ABrev = -  Σ(δQ/T)2BArev(I) Ciclo “1” + “3” → irreversível Σ(δQ/T) (1+3)ABAirrev = Σ(δQ/T)1ABrev +  Σ(δQ/T) 3BAirrev < 0 (II) Σ(δQ/T) = 0 (reversível) Σ(δQ/T)  0 (irreversível) ∆S=(Q/T)rev Como Σ(δQ/T) (1+2)ABArev = Σ(δQ/T) (1+3)ABAirrev = 0, substituindo-se (I) em (II) Σ(δQ/T) (1+3)ABAirrev =Σ(δQ/T)3BAirrev - Σ(δQ/T)2BArev <  0  (Σ(δQ/T)3irrev -[SA – SB] <  0 (Σ(δQ/T) 3irrev< [SA – SB]   ∆S  >  Σ(δQ/T) Generalizando : ∆S  ≥  Σ(δQ/T) ∆S  =  Σ(δQ/T) (processo reversível) ∆S  >  Σ(δQ/T) (Processo irreversível)

  41. Princípio do aumento de entropia ∆S viz = - dQ/To ∆Ssist + ∆Sviz ≥ dQ/T - dQ/To ∆S sist ≥ dQ/T ∆Ssist + ∆Sviz ≥ dQ(1/T - 1/To) ∆Ssist + ∆Sviz ≥  0 (1/T - 1/To) > 0 Processos reversíveis:  ∆Ssist + ∆Sviz = 0 Processos irreversíveis: ∆Ssist + ∆Sviz >  0 "Em qualquer processo natural a entropia do Universo nunca diminui" Outra forma de se expressar a 2a Lei

  42. Entropia e a desordem Quando um corpo recebe calor a sua entropia aumenta. ∆S = QT  0 Aumenta a EC e/ou a agitação molecular Aumenta a “desordem” A entropia é a medida da desordem ΔS = Q/T < 0 → a “desordem” diminui.

  43. Ordem e Energia - Sistemas Biológicos Entropia 2a Lei Evolução natural Ordem → Desordem Como os sistemas biológicos se desenvolvem e mantém alto grau de ordem? É uma violação da 2a Lei? Ordem pode ser obtida as custas de energia A fotosíntese converte energia solar em energia potencial nas moléculas de glucose com de alta ordem de organização. Nos animais Celulas – Mitocondria armazenam moléculas de açucar para formar moléculas altamente ordenadas e estruturadass.

  44. BoaProva

More Related