1 capítulo 2 2.1 calor e energia interna 2.2 calor específico e calorimetria 2.3 calor latente 2.4...

Download 1 Capítulo 2 2.1 Calor e Energia Interna 2.2 Calor Específico e Calorimetria 2.3 Calor Latente 2.4 Trabalho e Calor em Processos Termodinâmicos 2.5 Primeiro

Post on 07-Apr-2016

228 views

Category:

Documents

8 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Captulo 2

    2.1 Calor e Energia Interna2.2 Calor Especfico e Calorimetria2.3 Calor Latente 2.4 Trabalho e Calor em Processos Termodinmicos2.5 Primeiro Princpio da Termodinmica2.6 Algumas Aplicaes do Primeiro Princpio da Termodinmica2.7 Mecanismos de Transferncia de Energia em Processos TrmicosJames Joule (1818-1889)

  • 2.1 Calor e Energia Interna

    At ~1850, os campos da termodinmica e da mecnica eram considerados dois ramos distintos da Cincia Experimentos realizados em meados do sculo XIX pelo fsico ingls James Joule e outros cientistas, demonstraram que a energia pode entrar num sistema (ou abandon-lo), atravs do calor e do trabalho Hoje a energia interna tratada como uma forma de energia que pode ser transformada em energia mecnica e vice-versa Energia interna e calor A energia interna, U a energia associada aos componentes microscpicos de um sistema tomos e molculas As partculas no modelo de gs ideal so pontuais. Para estas partculas a U est associada somente a energia cintica traslacional total dos tomos depende da temperatura Calor, Q um mecanismo pelo qual a energia transferida entre um sistema e seu ambiente por causa da diferena de temperatura entre eles Um sistema no tem calor assim como no tem trabalho

  • Unidades de calorAntes dos cientistas reconhecerem que havia uma ligao entre a termodinmica e a mecnica, o calor era definido em termos das variaes de temperatura que ele produzia num corpo, e utilizava-se uma unidade separada de energia, a caloria, para o calor. A caloria (cal) era definida como o calor necessrio para elevar a temperatura de 1g de gua de para Em 1948, os cientistas concordaram que, como o calor (assim como o trabalho) uma medida da transferncia de energia, e sua unidade no SI deveria ser o joule Equivalente mecnico de calorDispositivo de Joule para determinar a relao da caloria e jouleO trabalho realizado sobre a gua pelos pesos em queda (em joules), rodam as ps produzindo um aumento de temperatura, equivalente absoro, pela gua, de uma determinada quantidade de calor (em calorias)

  • 2.2 Calor Especfico e CalorimetriaO calor especfico c de um substncia Q a energia transferida para a massa m de uma substncia, fazendo com que a sua temperatura varie deAs unidades do calor especfico so J/kgC A energia Q transferida do meio para um sistema de massa m varia a sua temperatura de O calor especfico elevado da gua comparado com a maioria das outras substncias comuns (Tabela) responsvel pelas temperaturas moderadas nas regies prximas de grandes volumes de gua

  • A Tabela mostra os calores especficos de algumas substncias a 25 C e presso atmosfrica

  • O ar mais frio empurra o ar quente (menos denso) mais para cima, de acordo com o princpio de Arquimedes

  • CalorimetriaTcnica para medir o calor especfico de um slido ou de um lquido O princpio de conservao de energia para esse sistema isolado requer que a energia que sai pelo calor da substncia mais quente (de calor especfico desconhecido) se iguale energia que entra na gua. Logo, podemos escrever

  • ca - calor especfico da guacx - calor especfico do corpoCorpo de massa m (mx)gua de massa M (ma)Obtemos o calor especfico do corpoTa - temperatura inicial da guaTx - temperatura inicial do corpoT temperatura de equilbrio final aps a gua e a substncia se combinarem Para medidas mais precisas necessrio levar em conta o calormetro

  • 2.3 Calor LatenteEm algumas situaes a transferncia de energia para uma substncia resulta em mudana de faseAs mudanas de fase comuns so de slido para lquido (fuso), lquido para gs (evaporao) Durante a mudana de fase a temperatura permanece constante

  • A transferncia de energia necessria para a mudana de fase de uma dada substncia de massa m de uma substncia pura L - calor latente da substncia depende da natureza da mudana de fase e da substncia evaporao ou condensaocalor de evaporaoO calor latente de fuso a energia necessria para romper todas as ligaes intermoleculares num quilograma de uma substncia de maneira a converter a fase slida em fase lquida. O calor latente de vaporizao a energia que deve ser adicionada a um quilograma da fase lquida de uma substncia para romper todas as ligaes de maneira a formar um gs fuso ou congelamento calor de fuso

  • A Tabela mostra os calores latentes de diferentes substncias O calor latente de evaporao para uma dada substncia geralmente muito maior do que o calor latente de fuso

  • Na mudana da fase slida para a fase lquida, as ligaes entre as molculas so transformadas em ligaes mais fracas Na mudana da fase lquida para a fase gasosa, as ligaes so rompidas, criando uma situao na qual as molculas de gs no tm essencialmente ligao alguma entre si

  • Temperatura versus energia fornecida, quando 1 g de gelo inicialmente a 30.0 C convertido em vapor a 120.0 C.

  • 2.4 Trabalho e Calor em Processos TermodinmicosVariveis de estado presso, volume, temperatura e energia interna O estado macroscpico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistema estiver em equilbrio trmico interno Variveis de transferncia trabalho e calorEssas variveis s tm valor diferente de zero se ocorrer um processo no qual a energia transferida atravs da fronteira do sistema Trabalho realizado por um sistema deformvel o gs O gs ocupa um volume V e exerce uma presso P nas paredes do cilindro e no pisto porqueO gs expandido quasi-estaticamente, isto , devagar o suficiente para permitir que o sistema se mantenha em equilbrio trmico em todos os instantes

  • O trabalho realizado pelo gs positivo O trabalho realizado pelo gs negativo Expanso do gsCompresso do gsO trabalho total realizado pelo gs medida que o seu volume se altera de Vi para Vf dado porO estado do gs a cada passo pode ser traado numa representao grfica que muito importante na termodinmica um diagrama PVWW a rea sob a curva

  • O trabalho realizado pelo gs depende da trajectria seguida entre os estados inicial e final W1W2W3Para determinar o trabalho W3 preciso conhecer a funo P(V)

  • De maneira semelhante, tambm se descobre que a energia transferida pelo calor para dentro ou para fora do gs depende do processo pelo qual transferido Calor em processos termodinmicosEm cada caso o gs tem o mesmo volume, temperatura e presso iniciais e considerado ideala) Um gs temperatura Ti se expande lentamente absorvendo energia de um reservatrio mesma temperatura b) Um gs expande rapidamente numa regio onde se fez vcuo depois que uma membrana rompida Portanto conclumos que a transferncia de energia pelo calor, assim como o trabalho realizado, depende do processo seguido entre os estados inicial e final do sistema

  • 2.5 Primeiro Princpio da TermodinmicaCaso especial do princpio da conservao de energia: a nica variao na energia dum sistema a variao na sua energia interna U, e os nicos mecanismos de transferncia de energia so o calor Q e o trabalho W Primeiro princpio da termodinmica Quando um sistema submetido a uma mudana infinitesimal em seu estado, tal que uma pequena quantidade de energia dQ transferida pelo calor e uma pequena quantidade de trabalho dW realizado pelo sistema, a energia interna tambm varia de uma quantidade pequena dU Q a energia transferida para o gs Significa que a variao da energia interna de um sistema, igual soma da energia transferida atravs da fronteira do sistema pelo calor e a energia transferida pelo trabalho W o trabalho realizado pelo gs

  • 2.6 Algumas Aplicaes do Primeiro Princpio da TermodinmicaProcessos termodinmicos: adiabtico, isomtrico (ou isocrico), isotrmico e o cclico Processo adiabticoQ=0Todas as superfcies do pisto so isolantes perfeitos, de maneira que a transferncia de energia pelo calor no existe Aplicando o primeiro princpio da termodinmica O trabalho realizado pelo gs negativo, representando a transferncia de energia para dentro do sistema, de maneira que a energia interna aumenta. E quando o gs se expande adiabaticamente, negativoA expanso livre um processo adiabtico nico, em que nenhum trabalho realizado sobre o gs. Como Q=0 e W=0 obtemos . No h variao na temperatura durante uma expanso livre adiabtica

  • Processo isobricoProcesso que ocorre a uma presso constante Processo isomtrico (ou isocrico)No processo isomtrico, o volume constante e criado segurando-se o pisto de maneira que ele no se mova W=0 Aplicando o primeiro princpio da termodinmica Aplicando o primeiro princpio da termodinmica Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema

  • Processo isotrmicoNum processo isotrmico a temperatura constante Aplicando o primeiro princpio da termodinmica IsotermaA energia que entra no gs por meio do trabalho sai do gs por meio do calor, de modo que a energia interna permanece fixaou

  • Processo cclicoO sistema no isolado comea e termina no mesmo estado Aplicando o primeiro princpio da termodinmica Os processos cclicos so muito importantes na descrio das mquinas trmicasA energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo

  • 2.7 Mecanismos de Transferncia de Energia em Processos Trmicos Conduo Em escala atmica h uma troca de energia cintica entre molculas, na qual as molculas menos energticas ganham energia colidindo com molculas mais energticas - Antes de se inserir a barra na chama, os tomos esto vibrando em torno de suas posies de equilbrio - medida que a chama fornece energia barra, os tomos prximos chama comeam a vibrar com amplitudes cada vez maiores - Colidem com seus vizinhos e transferem um pouco de sua energia nas colises O aumento da vibrao das molculas rep

Recommended

View more >