Princípios Termodinâmicos

Para compreender, de forma fácil, o vasto e complexo mundo da Termodinâmica, recomenda-se ir passo a passo começando com uma revisão dos termos básicos, uma introdução aos princípios da termodinâmica, para depois estudar com mais profundidade as leis da termodinâmica, como são expressos matematicamente e suas aplicações.

Com as quatro leis da termodinâmica (lei zero, primeira lei, segunda lei e terceira lei), é descrito como funcionam as transferências e transformações de energia entre diferentes sistemas; sendo a base para a compreensão de muitos fenômenos físico-químicos da natureza.

Revisão de conceitos básicos

Nós convidamos você a ver o artigo TERMODINÂMICA, o que é e suas aplicações

Você pode complementar essas informações com o artigo O poder da lei de Watt (aplicativos - exercícios) Por enquanto NÓS SEGUIMOS ...

Formas de energia

Energia, a propriedade dos corpos de se transformarem modificando sua situação ou estado, vem em muitas formas, como energia cinética, energia potencial e energia interna dos corpos. Veja a figura 1.

Trabalhar

É o produto de uma força e um deslocamento, ambos medidos na mesma direção. Para calcular o trabalho, utiliza-se a componente da força paralela ao deslocamento do objeto. O trabalho é medido em Nm, Joule (J), ft.lb-f ou BTU. Veja a figura 2.

Calor (Q)

Transferência de energia térmica entre dois corpos que estão em temperaturas diferentes, e isso só ocorre na medida em que a temperatura diminui. O calor é medido em Joule, BTU, libra-pés ou em calorias. Veja a figura 3.

Princípios Termodinâmicos

Lei Zero - Princípio Zero

A lei zero da termodinâmica afirma que se dois objetos, A e B, estão em equilíbrio térmico entre si, e o objeto A está em equilíbrio com um terceiro objeto C, então o objeto B está em equilíbrio térmico com o objeto C. O equilíbrio térmico ocorre quando dois ou mais corpos estão na mesma temperatura. Veja a figura 4.

Esta lei é considerada uma lei básica da termodinâmica. Foi postulada como "Lei Zero" em 1935, uma vez que foi postulada depois que a primeira e a segunda leis da termodinâmica foram feitas.

1ª Lei da Termodinâmica (Princípio da conservação da energia)

Declaração da Primeira Lei da Termodinâmica:

A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio da conservação da energia, afirma que a energia não é criada ou destruída, apenas se transforma em outro tipo de energia ou é transferida de um objeto para outro. Portanto, a quantidade total de energia no universo não muda.

A primeira lei é cumprida em "tudo", a energia é transferida e transformada continuamente, por exemplo, em alguns aparelhos elétricos, como misturadores e liquidificadores, a energia elétrica é transformada em energia mecânica e térmica, no corpo humano são transformados os químicos energia do alimento que é ingerido em energia cinética quando o corpo está em movimento, ou outros exemplos, como os mostrados na figura 5.

Equação da Primeira Lei da Termodinâmica:

A equação da primeira lei dentro dos princípios da termodinâmica expressa o equilíbrio que deve existir entre os diferentes tipos de energia em um determinado processo. Visto que, em sistemas fechados [1], as trocas de energia podem ser dadas apenas pela transferência de calor, ou pelo trabalho realizado (pelo ou no sistema), estabelece-se que a variação de energia de um sistema é igual à soma de energia transferências através do calor e do trabalho. Veja a figura 6.

Considerando que as energias consideradas neste balanço energético são a energia cinética, a energia potencial e a energia interna [1], o balanço energético para os sistemas fechados permanece como mostrado na figura 7.

• (E) Energia cinética , devido ao movimento de um corpo;
• (ep) Energia potencial, devido à posição de um corpo em um campo gravitacional;
• (VOCÊ) Energia interna , devido às contribuições microscópicas da energia cinética e potencial das moléculas internas de um corpo.

Exercício 1.

Um recipiente lacrado contém uma substância, com energia inicial de 10 kJ. A substância é agitada com uma hélice que faz 500 J de trabalho, enquanto uma fonte de calor transfere 20 kJ de calor para a substância. Além disso, 3kJ de calor são liberados no ar durante o processo. Determine a energia final da substância. Veja a figura 8.

solução:

Na figura 9 você pode ver o calor adicionado pela fonte de calor, que é considerado "positivo" por aumentar a energia da substância, o calor que é liberado no ar, negativo por diminuir a energia da substância, e o trabalho da hélice, que aumentou a energia teve um sinal positivo.

Na figura 10 é apresentado o balanço energético de acordo com a primeira lei da termodinâmica e é obtida a energia final da substância.

Segunda lei da termodinâmica

Existem várias declarações da segunda lei da termodinâmica: Declaração de Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Cada um deles mostra um aspecto diferente da segunda lei. Em geral, a segunda lei da termodinâmica postula:

• A direção dos processos termodinâmicos, irreversibilidade dos fenômenos físicos.
• A eficiência das máquinas térmicas.
• Digite a propriedade "entropia".

Direção dos processos termodinâmicos:

Espontaneamente na natureza, a energia flui ou é transferida do estado de energia mais alta para o estado de energia mais baixa. O calor flui de corpos quentes para corpos frios e não o contrário. Veja a figura 11.

Eficiência ou desempenho térmico:

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia não é criada nem destruída, mas pode ser transformada ou transferida. Mas em todas as transferências ou transformações de energia, uma quantidade dela não é útil para o trabalho. Conforme a energia é transferida ou transformada, parte da energia inicial é liberada como energia térmica: a energia se degrada, perde qualidade.

Em qualquer transformação de energia, a quantidade de energia obtida é sempre menor que a energia fornecida. A eficiência térmica é a quantidade de calor da fonte que é convertida em trabalho, a relação entre a energia útil obtida e a energia fornecida em uma transformação. Veja a figura 12.

Máquina Térmica ou Máquina de Calor:

A máquina térmica é um dispositivo que converte parcialmente o calor em trabalho ou energia mecânica, para o qual necessita de uma fonte que forneça calor em alta temperatura.

Em máquinas térmicas, uma substância como vapor de água, ar ou combustível é usada. A substância passa por uma série de transformações termodinâmicas de forma cíclica, para que a máquina possa operar continuamente.

Exercício 2.

O motor de um veículo de carga produz calor na combustão pela queima de gasolina. Para cada ciclo do motor, o calor de 5 kJ é convertido em 1 kJ de trabalho mecânico. Qual é a eficiência do motor? Quanto calor é liberado para cada ciclo do motor? Veja a figura 13

solução:

Para determinar o calor liberado, assume-se que nas máquinas térmicas o trabalho líquido é igual à transferência de calor líquido para o sistema. Veja a figura 14.

Entropia:

Entropia é o grau de aleatoriedade ou desordem em um sistema. A entropia permite quantificar a parte da energia que não pode ser utilizada para produzir trabalho, ou seja, permite quantificar a irreversibilidade de um processo termodinâmico.

Cada transferência de energia que ocorre aumenta a entropia do universo e reduz a quantidade de energia utilizável disponível para fazer o trabalho. Qualquer processo termodinâmico irá prosseguir em uma direção que aumenta a entropia total do universo. Veja a figura 15.

3ª Lei da Termodinâmica

Terceira Lei da Termodinâmica ou Postulado de Nerst

A terceira lei da termodinâmica está relacionada à temperatura e resfriamento. Afirma que a entropia de um sistema no zero absoluto é uma constante definida. Veja a figura 16.

O zero absoluto é a temperatura mais baixa abaixo da qual não há mais medida inferior, é a mais fria que um corpo pode estar. O zero absoluto é 0 K, equivalente a -273,15 ºC.

Conclusão

Existem quatro princípios termodinâmicos. No princípio zero é estabelecido que o equilíbrio térmico ocorre quando dois ou mais corpos estão na mesma temperatura.

A primeira lei da termodinâmica trata da conservação de energia entre os processos, enquanto a segunda lei da termodinâmica trata da direcionalidade da entropia mais baixa para a mais alta e da eficiência ou desempenho dos motores térmicos que convertem calor em trabalho.

A terceira lei da termodinâmica está relacionada à temperatura e resfriamento, ela afirma que a entropia de um sistema no zero absoluto é uma constante definida.