Trabalho de Termodinâmica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Termodinâmica

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Curso: Engenharia Civil.

TRABALHO DE FÍSICA II

Título: Termodinâmica Autor: Alexandre Marins Duarte – Mat. 201918389 Taguatinga/DF, Junho de 2019.

“Eu agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado sabedoria, e forças a realizar esse trabalho, e aos meus pais por terem me dado motivação a realizar o mesmo”.

1. INTRODUÇÃO

O tema pesquisado, em questão, é a Termodinâmica, cuja parte da Física, trata-se do estudo das leis que regem as relações entre calor, trabalho, e outras formas de energia, mais especificamente, a transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor.

2. OBJETIVOS

O trabalho terá como objetivo, discorrer sobre os seguintes assuntos proposto, a partir do tema: temperatura, calor e primeira lei da termodinâmica, entropia e segunda lei da termodinâmica, e ao final de cada tópico discorrido, serão apresentados dois exercícios resolvidos.

3. DESENVOLVIMENTO

3.1. TEMPERATURA

3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica A referida lei afirma que "se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si". Essa lei permite a definição de uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, Rankine, Newton e Leiden.

Figura 1. Lei zero da Termodinâmica Fonte: pt.wikipedia.org/wiki/Lei_zero_da_termodin%C3%A2mica Figura 2. Troca de Calor entre A, B e C Fonte: pt.wikipedia.org/wiki/Lei_zero_da_termodin%C3%A2mica 3.1.2. Escala Internacional de Temperatura É conhecida como Escala Internacional de Temperaturas de 1990 ou ITS-90 (International Temperature Scale of 1990) e é definida em temperaturas nas unidades Kelvin e grau Celsius, e auxilia na comparação e compatibilidade de medições de temperatura. Embora o Kelvin seja definido como o zero absoluto (0 K) e o ponto triplo da água (273,16 K), não é prático usar esta definição para temperaturas que estão longe do ponto triplo da água, pois procedimentos correspondentes para determinar a temperatura absoluta são extremamente complexos e conectados com grande incerteza.

resultante da transferência de calor para um sistema depende de quantas moléculas há no sistema. 3.2.2. Primeira Lei da Termodinâmica É chamada de Primeira 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. 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 e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente: 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 > Cede Recebe Diminui < não troca não realiza e nem recebe não varia = Tabela 2. Relação Calor X Trabalho Fonte: www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/1leidatermodinami ca.php

3.2.3. Transmissão de Calor Explica os modos de transferência, como o calor se propagada e as taxas que ocorrem. A diferença entre a Termodinâmica e a Transmissão de Calor é que a Termodinâmica estuda sistemas em equilíbrio (não há gradiente de temperatura). Processos de Transmissão de Calor:

• Condução: Quando há gradiente de temperatura num meio estacionário sólido ou fluido. É o modo de transferência de calor em que há troca de energia de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura pelo movimento cinético ou pelo impacto das moléculas, no caso de um fluido em repouso e pelo movimento de elétrons no caso de metais. Sólidos >> Líquidos > Gases
• Convecção: É o processo de transferência de calor executado pelo escoamento de fluido. O fluido atua como transportador de energia que é transferida da parede ou para a parede. É o processo de transferência de calor executado pelo escoamento de um fluido. O fluido atua como transportador de energia que é transferida da parede ou para a parede.
• Radiação: É um processo eletromagnético e independe do meio. A energia é transportada através de ondas eletromagnéticas. A emissão pode ser atribuída as modificações das configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que a constituem. O termo radiação é utilizado a todos os fenômenos eletromagnéticos (ondas de rádio, raios X, gama, ultra som etc.), mas só são de interesse determinados (comprimentos de onda) que resultem em energia térmica.

Utiliza-se o valor absoluto das quantidades de calor pois, em uma máquina que tem como objetivo o resfriamento, por exemplo, estes valores serão negativos. Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim: Figura 4. Máquina Térmica (trabalho externo) Fonte: www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php 3.3.2. Refrigeradores Os refrigeradores utilizam todo processo em que há remoção do calor, de modo que a temperatura fique menor que a do ambiente. Quando se remove calor até que a temperatura se iguale a do ambiente, o processo chama-se resfriamento. Ao deixarmos uma xícara de chá quente sobre a mesa, o chá sofre o processo de resfriamento, já uma geladeira faz o processo de refrigeração. Sabemos, pela Segunda Lei da Termodinâmica, que o fluxo natural da energia térmica é da fonte quente (corpo com maior temperatura) para a fonte fria (corpo com menor temperatura). Um processo inverso ao do fluxo natural é um processo forçado, exigindo fornecimento de energia ao sistema para que ele funcione. A ideia de refrigeração é baseada neste processo forçado.

Um trabalho externo é realizado no sistema, com o objetivo de remover o calor da fonte fria e levá-lo a fonte quente. Figura 5. Ilustração do Refrigerador de Carnot Fonte: www.alfaconnection.pro.br/fisica/calor/termodinamica/segunda-lei-da- termodinamica/ Podemos concluir que o trabalho W realizado pelo motor é igual à diferença entre as quantidades de calor (Q1 – fonte quente e Q2 – fonte fria) trocadas com as fontes térmicas >>> >>> W = Q1 – Q2. 3.3.3. Segunda Lei da Termodinâmica As transferências de calor ocorrem sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio, isso acontece de forma espontânea, mas o contrário não. O que significa dizer que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis. Desse modo, pela Segunda Lei da Termodinâmica, não é possível que o calor se converta integralmente em outra forma de energia. Por esse motivo, o calor é considerado uma forma degradada de energia.

Figura 7. Diagrama do Ciclo de Carnot. Fonte: www.todamateria.com.br/ciclo-de-carnot/ 3.3.5. Entropia Em termodinâmica, entropia é a medida de desordem das partículas em um sistema físico. Utiliza-se a letra S para representar esta grandeza. Comparando este conceito ao cotidiano, podemos pensar que, uma pessoa ao iniciar uma atividade tem seus objetos organizados, e a medida que ela vai os utilizando e desenvolvendo suas atividades, seus objetos tendem a ficar cada vez mais desorganizados. Voltando ao contexto das partículas, como sabemos, ao sofrem mudança de temperatura, os corpos alteram o estado de agitação de suas moléculas. Então ao considerarmos esta agitação como a desordem do sistema, podemos concluir que:

• quando um sistema recebe calor Q>0, sua entropia aumenta;
• quando um sistema cede calor Q<0, sua entropia diminui;
• se o sistema não troca calor Q= 0 , sua entropia permanece constante.

Segundo Rudolf Clausius, que utilizou a idéia de entropia pela primeira vez em 1865, para o estudo da entropia como grandeza física é mais útil conhecer sua variação do que seu valor absoluto. Assim, Clausis definiu que a variação de entropia (ΔS) em um sistema como: Para processos onde as temperaturas absolutas (T) são constantes. Para o caso onde a temperatura absoluta se altera durante este processo, o cálculo da variação de entropia envolve cálculo integral, sendo que sua resolução é dada por:

3.4. EXERCÍCIOS

3.4.1. Um viajante, ao desembarcar no aeroporto de Londres, observou que o valor da temperatura do ambiente na escala Fahrenheit é o quíntuplo do valor da temperatura na escala Celsius. Quais são essas temperaturas em Celsius e Fahrenheit? Resolução: Chamando essa temperatura na escala Celsius de x, temos: C = x F = 5x A fórmula de conversão entre as duas escalas é: C/5 = (F – 32)/ Substituindo, temos: x/5 = (5x – 32)/

4. CONCLUSÃO

Os assuntos relatados nesse trabalho serviram para abordar diversos aspectos dos fenômenos da termodinâmica; no que tange, os aspectos discorridos a respeito da temperatura (e da escala internacional), do calor, da lei zero da termodinâmica, da primeira lei da termodinâmica, da segunda lei da termodinâmica, da entropia, das máquinas térmicas, dos refrigeradores e do ciclo de Carnot; sendo que a grande dificuldade enfrentada, nesse trabalho, foi o fato de sintetizar tópicos da termodinâmica, pois os conteúdos tratados são extensos, exigindo, assim, ampla pesquisa. As temáticas propostas para a pesquisa e desenvolvimento do respectivo trabalho, foram exibidas, de modo que, os fenômenos da Termodinâmica fossem explicados, sucintamente. Ademais, explanando a lei zero da termodinâmica, como sendo dois corpos A e B sendo separados estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então os corpos A e B estão em equilíbrio térmico entre si. Quanto ao calor, é definido pelos cientistas como energia térmica transladada entre dois sistemas com diferentes temperaturas que estiverem em contato_._ O calor é escrito com o símbolo q ou Q, e sua unidade é o joule. A Primeira Lei da Termodinâmica é 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. Na Segunda Lei da Termodinâmica, as transferências de calor ocorrem sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio, isso acontece de forma espontânea, mas o contrário não; o que significa dizer que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis. A experiência em desenvolver o referido trabalho foi de grande valia, para buscar conhecimentos referentes aos fenômenos pesquisados da termodinâmica, e compreender que esses tópicos estudados fazem parte do cotidiano dos seres vivos, como um todo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1ª LEI DA TERMODINÂMICA. SÓ FÍSICA. Disponível em: <https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/1leidatermodina mica.php>. Acesso em: 05 jun. 2019. 2ª LEI DA TERMODINÂMICA. SÓ FÍSICA. Disponível em: <https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodina mica.php>. Acesso em: 05 jun. 2019. CALOR E TEMPERATURA. KHAN ACADEMY. Disponível em: <https://pt.khanacademy.org/science/chemistry/thermodynamics-chemistry/internal- energy-sal/a/heat>. Acesso em: 05 jun. 2019. CICLO DE CARNOT. TODA MATÉRIA. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/ciclo-de-carnot/. Acesso em: 09 jun. 2019. Da Barrosa, Marcelo Rosário, Princípios Fundamentais da Transferência de Calor. 2004. 48f. Trabalho sobre Transmissão de Calor - USP, São Paulo,

ENTROPIA. SÓ FÍSICA. Disponível em: https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Entropia/entropia.php. Acesso em: 05 jun. 2019. ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURAS DE 1990. WIKIPÉDIA: A ENCICLOPÉDIA LIVRE. Disponível em: