Introdução à Termodinâmica: Conceitos de Calor e Suas Leis

DEFINIÇÃO Introdução aos conceitos termodinâmicos de temperatura e dilatação PROPÓSITO Compreender os conceitos de calor e suas formas de propagação assim como a primeira a segunda e a terceira lei da termodinâmica além das concepções envolvidas no funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores OBJETIVOS MÓDULO 1 Definir os conceitos de calor calor sensível e calor latente além da capacidade térmica e das formas de transmissão de calor MÓDULO 2 Reconhecer as três leis da termodinâmica MÓDULO 3 Identificar a teoria termodinâmica por trás do funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores PREPARAÇÃO Antes de iniciar o conteúdo deste tema tenha em mãos papel caneta e uma calculadora científica ou use a calculadora de seu celular ou computador INTRODUÇÃO Bemvindos ao estudo introdutório à Física de Calor MODULO 1 Definir os conceitos de calor calor sensivel e calor latente além da capacidade térmica e das formas de transmissao de calor Aenergia se manifesta ao nosso redor de muitas formas distintas Ela no entanto precisa retornar ao meio ambiente e em geral retorna de forma degradada i Cy an O calor é a forma mais degradada da energia que conhecemos por isso ele merece uma atengao especial Definiremos neste mddulo o significado dele destacando ainda como sua compreensao ajudou a humanidade a progredir tecnologicamente Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Calor é o termo utilizado em fisica para definir a transferéncia de energia que ocorre devido a diferenga de temperatura entre dois ou mais corpos Apesar de ser energia ele possui um sentido o calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura ou seja o mais quente para o de menor temperatura ou seja 0 mais frio OF EAN if y 5 4 Ta a ee A ENERGIA PORTANTO SE TRANSFERE ESPONTANEAMENTE SEMPRE DO CORPO QUENTE PARA O FRIO Essa transferéncia energética ocorre até que o equilibrio térmico seja atingido Ha duas formas de transferila de um sistema fisico para outro A primeira é por meio da realizagao de trabalho a segunda por meio do calor Na Fisica representamos o calor pela letra Q Por se tratar de energia sua unidade no Sistema Internacional de Unidades SI 6 o Joule J No entanto é muito mais comum o calor ser expresso em calorias cal Uma caloria possui um valor aproximado de 418 Joules 1 cal 418 J 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Essa relagao é de suma importancia para que saibamos realizar a conversao de uma unidade para outra Vamos demonstrar como é possivel converter as unidades de energia 1 ws Cg Autor Valeria AksakovaFonte Freepik Para conhecer esse valor devese fazer uma conversao de calorias para Joules Neste caso basta utilizar uma simples regra de trés 1 cal 4187 2300cal Q 1cal x 418J 2300cal Q 9614J 418150 cok Ou seja 2300cal é igual a 9614J 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal PODEMOS VERIFICAR GROSSO MODO QUE EM UMA CONVERSAO DE CALORIAS PARA JOULES OCORRE O SEGUINTE PEGASE O VALOR DADO EM CALORIAS E O MULTIPLICA POR 418 Isso significa que para converter de Joules para calorias basta dividir o valor em Joules por 418 A figura a seguir indica um esquema que ajuda a visualizar essa conversao Figura 1 esquema de conversao Façamos agora uma conversão inversa EXEMPLO Como converter 8500J para calorias Podemos observar na figura acima que basta dividir o valor 8500J por 418 Ou seja 8500J são iguais a 203349 cal CALOR E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA A transferência de energia na forma de calor pode ocorrer de duas maneiras a Calor sensível Tratase da troca de energia entre corpos na forma de calor de tal maneira que haja uma mudança de temperatura sem ocorrer uma modificação no estado físico da matéria O corpo portanto não sofre fusão evaporação sublimação etc Matematicamente o calor sensível é calculado como Q 8500 2 033 49 cal 418 QmcAT 1 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Em 1 m é a massa do corpo Quando a unidade de energia é 0 Joule m é dado em quilogramas kg porém quando essa unidade se refere a calorias m 6 dado em gramas g Ja c corresponde ao calor especifico do corpo que é uma constante e depende do material aquecido ou resfriado SAIBA MAIS O livro Handbook of physics contém uma tabela com o calor especifico de todos os materiais conhecidos No Sl a unidade e medida do calor especifico é o Joule por quilograma Kelvin x Contudo se a energia for dada em calorias esse calor tera unidades de calorias por grama graus Celsius 4 Ja AT significa a variagdo de temperatura Se a energia estiver em Joules as temperaturas deverdo estar em Kelvin K mas se elas estiverem em fungao das calorias precisarao constar em Celsius C DICA Recordemos que matematicamente a variagao de temperatura A 7 é determinada pela diferenga entre a temperatura final T e a inicial To ATTT 2 Conseguiremos compreender melhor esse conceito acompanhando a solugao de mais um exemplo Autor FreepikFonte Produzido pelo autor Para reforçar seu aprendizado abordaremos neste vídeo sobre a quantidade de energia necessária para ferver água Um corpo resfriando ou seja que diminui sua temperatura cede energia para o meio ambiente Dessa forma o que se obtém como resultado 6 uma quantidade de energia negativa O sinal negativo neste caso significa que o corpo esta cedendo perdendo energia e nao que a esta ganhando E a unidade de medida fisica relacionada a quantidade de energia que em forma de calor um corpo deve receber ou ceder para mudar de fase Nessas mudangas de fase podese passar do estado solido para o liquido do liquido para o gasoso e viceversa etc Matematicamente o calor latente é dado por Q mL 3 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Em 3 amassa m é dada em gramas ou quilogramas nas mesmas circunstancias discutidas acima em 1 Ja o L é chamado de calor latente tratase da energia necessaria para um grama do material mudar de fase Sua unidade no SI é 0 Joule por quilograma a Contudo em fungao da unidade de energia cal ela expressa por oa e e 35 Autor MacrovectorFonte Freepik Aplicando a equagao 3 temos QmL kJ Q 1kg 2256 ig 2256 kJ Ou em calorias Q 2bkJ 53971 kcal Nosso resultado indica que é necessaria uma energia de 2256kJ ou 53971kcal para evaporar 1kg de agua No entanto se a reagao fisica fosse inversa ou seja o vapor dagua condensado em liquido considerariamos o calor latente da agua como 2256 i Neste caso veriamos que 0 vapor precisaria perder 2256kJ 53971kcal de energia para poder condensar 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Vejamos agora outro exemplo um pouco mais complexo Determinaremos a energia necessaria a fim de que uma pedra de gelo de 05kg a 4C se transforme em um vapor dagua a 100C a 1 b 1 2a by Autor FreepikFonte Produzido pelo autor Primeiramente vamos aos dados cal 4 cal cal kJ Cgelo 0 5 gC 9 C4gua 1 gC 5 L tusao 540 9g 5 Levaporacao 2256 kg 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Agora precisamos raciocinar como ocorre esse aquecimento de 4C a 100C Tal resposta pode ser dividida em quatro etapas 1 Atemperatura de 05kg de gelo 500g aumenta de 4C a 0C ponto em que muda de fase sélido para liquido Nesta primeira etapa portanto obtemos calor sensivel QmcAT Q 500 05 0 4 1000cal 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal 2 Agora que o gelo esta a 0C ele derretera logo ele mudara da fase solida para a liquida Assim chegamos a segunda etapa a do calor latente Qo mL Qe 500 540 270 000cal 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal 3 Nesta etapa temos 500g de agua pois todo o gelo derreteu Com isso essa agua sera aquecida de 0C a 100C o que nos remete ao calor sensivel Q3 mcAT Qs 5001 100 0 50 000cal 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal 4 O que resta 6 a agua a 100C evaporar Para isso necessario mudar de fase ou seja passar do liquido para o vapor Desse modo temos calor latente QmL 05 kG 22564 1128kJ Qa VU g 4 ky 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal No entanto todas as demais energias calculadas até agora estao em calorias dessa forma precisamos converter a energia Qy para calorias 1128kJ Q4 78 269 856459 kcal 269 856 46cal 9 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Ja podemos determinar a energia total que a massa de gelo de 05kg teve de absorver para se tornar um vapor dagua a 100C Basta para isso somar a energia das quatro etapas Qtotal Q1 Q2 Q3 Qa Qtotal 1000 cal 270000 cal 50 000 cal 269 856 46 cal 590856 46 cal 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Ou multiplicando por 418 temos OQ rotal 2 469 780 00S 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal As quatro etapas calculadas podem ser apresentadas na forma de um grafico 0 que facilita a visualizagao das fases de transformagao do gelo em vapor Ele esta demonstrado na figura a seguir Figura 2 Etapas de transformagao Qy 100 80 o 60 Q 40 E oO kK 20 0 Q2 Qi 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Calor Cal No grafico podemos observar que em Qz e Qu onde calculamos calor latente existe um patamar horizontal Isso demonstra que a transformacao de fase ocorre sem haver mudanga na temperatura CAPACIDADE TERMICA Representada pela letra C maiuscula a capacidade térmica indica a quantidade de energia que deve ser absorvida ou cedida por um corpo para alterar a sua temperatura em 1C ELA E DETERMINADA PELA RAZAO ENTRE A ENERGIA E A VARIAGAO DA TEMPERATURA Matematicamente representamos isso como Q C a9 4 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Sua unidade de medida é o Joule por Kelvin JK no SI ou calorias por graus Celsius calC Outra forma de determinar a capacidade térmica de um corpo é por meio do produto entre sua massa e seu calor especifico C mc 5 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Com a informagao de 5 podemos reescrever 1 que foi visto acima como QCAT 6 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal DICA Note que 6 é equivalente a 4 A capacidade térmica também pode ser observada no grafico exposto acima como o coeficiente angular da reta que representa o calor sensivel Veja o caso a seguir ay gic JN Ee 2 NA Sh ee Autor Fouad A SaadFonte Shutterstock Neste caso tanto 0 calorimetro quanto a Agua aquecem desse modo precisamos determinar 0 aquecimento de ambos Primeiramente utilizaremos a equacgao 6 para determinarmos a energia necessaria a fim de gerar o aquecimento do calorimetro cal Q1CAT 086 98 Sf 78 4cal 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Em seguida empregaremos a equacao 1 para determinarmos a quantidade de energia necessaria para aquecer a massa de 4g de agua cal QomceAT4y91 98 0 392cal y 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal No total a energia necessaria para aquecer o sistema é Qrotal 78 4cal 392cal 470 4cal 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal TROCA DE CALOR EM UM CALORIMETRO CONSERVAGAO DA ENERGIA TERMICA Sau ee ee ff V Vid Utilizaremos agora tanto as teorias relativas ao calor sensivel e ao latente quanto a de capacidade calorifica para compreendermos como ocorre a troca de calor entre os corpos no interior de um calorimetro ou seja em um recipiente que impede sua troca com o meio externo Nesta situagao vemos que Qi t Q2 Q3Qn 07 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Veja o caso a seguir Zé A Wo Th ge eT Autor Fouad A SaadFonte Shutterstock Ao misturarmos algo quente com outro frio obtemos o equilibrio térmico em uma temperatura intermediaria entre o quente e o frio Neste caso vamos encontrar uma que esteja entre 20C e 212C O calorimetro também participa da troca de calor entao dessa maneira temos 3 Calorimetro QiCAT Q 03 Teg 20 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal 2 Agua aquecendo até a temperatura de equilibrio QomcAT Q2 2001 T 20 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal 3 Cubo de metal resfriando até a temperatura de equilibrio Q3CAT Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Como nao ha troca de energia com o meio externo esses materiais trocam de energia entre si entao diante disso a troca de energia total é nula pois essa energia continua sendo a mesma Dessa forma podemos matematicamente afirmar que Qi Qe Q3 0 200 457 4037 80 403780 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal A temperatura do equilibrio se da em 2014C Podemos apontar ainda que a uma temperatura de 212C 1g desse metal aumenta em 014C o conjunto calorimetro 200g de agua que inicialmente se encontra a 20C PROPAGAGAO DO CALOR A propagaao de calor do corpo quente para o frio pode ocorrer de trés formas distintas A CONDUGAO A transferéncia ocorre por contato direto entre os dois corpos Colocamos uma pedra de gelo em um copo de água a uma temperatura ambiente Como a água e o gelo estão em contato direto a água transfere energia na forma de calor para o gelo até que o equilíbrio térmico seja estabelecido B CONVECÇÃO É a transferência de energia por meio de um fluido Exemplo No cozimento de alimentos o fogo aquece o fundo de uma panela Ela transfere o calor para a água agitando suas moléculas Essa agitação por sua vez transfere energia na forma de calor para o alimento cozendoo Então neste caso temos a transferência de energia na forma de calor do fogo para o alimento através do fluido que é a água Isto é a convecção C RADIAÇÃO Transferência de energia na forma de calor que ocorre tanto no vácuo como em meio material porém não precisa de meio material para se propagar Essa propagação ocorre por meio de emissão de fótons MÃO NA MASSA 1 UM PEDAÇO DE METAL DE CAPACIDADE TÉRMICA IGUAL A 005CALC É AQUECIDO DE 5C A 21C A ENERGIA NECESSÁRIA PARA ISSO É IGUAL A A 092cal B 080cal C 078cal D 055cal 2 ASSINALE A QUANTIDADE DE ENERGIA QUE DEVE SER RETIRADA DE 100G DE ÁGUA A 0C PARA QUE ELA POSSA VIRAR GELO A 0C SE O CALOR DE FUSÃO DELA É 540CALG A 54000cal B 54000cal C 27000cal D 27000cal 3 DETERMINADO MATERIAL SOFRE UM AUMENTO DE TEMPERATURA DE 400C AO RECEBER UMA QUANTIDADE DE ENERGIA EQUIVALENTE A 235789CAL SUA CAPACIDADE TÉRMICA É IGUAL A A 58947 B 66947 C 77947 D 98547 4 CERTA MASSA DE ÁGUA RECEBEU 200000CAL E SE AQUECEU EM 4C SE O CALOR ESPECÍFICO DELA É DE 1CALGC SUA CAPACIDADE TÉRMICA É IGUAL A A 6750 B 12500 C 25000 D 50000 5 DOIS LÍQUIDOS IMISCÍVEIS FORAM COLOCADOS EM UM CALORÍMETRO DE CAPACIDADE TÉRMICA DESPREZÍVEL O LÍQUIDO 1 TEM MASSA DE 8 G E TEMPERATURA DE 140C O 2 MASSA DE 8 G E TEMPERATURA DE 200C PODEMOS AFIRMAR QUE A TEMPERATURA DE EQUILÍBRIO DESSE SISTEMA SE DÁ EM A B C D 6 EM UM RECIPIENTE COM 400ML DE CHÁ A 80C SÃO ADICIONADOS 10ML DE ÁGUA GELADA A 5C O RECIPIENTE POSSUI CAPACIDADE TÉRMICA DESPREZÍVEL ASSINALE A ALTERNATIVA QUE REPRESENTA A TEMPERATURA DE EQUILÍBRIO DO cal C cal C cal C cal C cal C cal C cal C cal C T 140c1200c2 2c1c2 T 140c1200c2 c1c2 T 200c1140c2 c1c2 T 140c1200c2 c1c2 SISTEMA DADOS DENSIDADE DA ÁGUA IGUAL À DO CHÁ 1KGL OU 1GML CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUAIGUAL AO DO CHÁ 1 CAL G C OU 4200 J KGK 1 CAL 4 18 J A 7817C B 7438C C 6935C D 6038C GABARITO 1 Um pedaço de metal de capacidade térmica igual a 005calC é aquecido de 5C a 21C A energia necessária para isso é igual a A alternativa B está correta Da equação6 vista acima temos que 2 Assinale a quantidade de energia que deve ser retirada de 100g de água a 0C para que ela possa virar gelo a 0C se o calor de fusão dela é 540calg A alternativa B está correta Para a água virar gelo deve haver uma mudança de fase Ocorre portanto um processo de calor latente O sinal negativo é associado ao fato de a água estar perdendo energia na forma de calor 3 Determinado material sofre um aumento de temperatura de 400C ao receber uma quantidade de energia equivalente a 235789cal Sua capacidade térmica é igual a A alternativa A está correta Q C Δ T Q 0 05 21 5 0 80cal Q mL Q 100 540 54 000 cal Assista ao vídeo que aborda a determinação de capacidade térmica apresentando a resolução comentada desta questão 4 Certa massa de água recebeu 200000cal e se aqueceu em 4C Se o calor específico dela é de 1calgC sua capacidade térmica é igual a A alternativa D está correta Sabemos que o calor sensível é dado por A capacidade térmica é dada por 5 Dois líquidos imiscíveis foram colocados em um calorímetro de capacidade térmica desprezível O líquido 1 tem massa de 8 g e temperatura de 140C o 2 massa de 8 g e temperatura de 200C Podemos afirmar que a temperatura de equilíbrio desse sistema se dá em Q mc Δ T 200 000 m 1 4 m 50 000 g 200000 4 C mc C 50 000 1 50 000 cal C A alternativa B está correta Temos que Simplificando por 8 encontramos 6 Em um recipiente com 400ml de chá a 80C são adicionados 10ml de água gelada a 5C O recipiente possui capacidade térmica desprezível Assinale a alternativa que representa a temperatura de equilíbrio do sistema Dados Densidade da água igual à do chá 1kgL ou 1gml Calor específico da águaigual ao do chá 1 cal g C ou 4200 J kgK 1 cal 4 18 J A alternativa A está correta Assista ao vídeo que aborda o encontro da temperatura de equilíbrio apresentando a resolução comentada desta questão Q1 Q2 0 m1c1T T01 m2c2T T02 0 8 c1T 140 8c2T 200 0 8 c1T 1 120 c1 8 c2T 1600 c2 0 T 1120c11600c2 8c1c2 T 140c1200c2 c1c2 Para assistir a um video sobre o assunto acesse a oO versao online deste conteudo 0 GABARITO Utilizaremos agora as informacées sobre conservagao da energia térmica para determinarmos a quantidade de gelo que se transforma na seguinte situaao Em um calorimetro ideal de capacidade térmica desprezivel com uma pedra de 200g de gelo a 4C sao adicionados 150g de agua a 10C Considerando o calor especifico do gelo 05calgC e o da agua 1calgC assim como o calor latente de fusao igual a 540calg determine a quantidade de gelo que derrete durante a troca de calor até que seja atingido o equilibrio térmico em 0C RESOLUGAO Primeiramente determinaremos quanta energia é gasta para aquecer o gelo de 4C para 0C QmcAT Q 20005 0 4 400cal 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Em seguida apontaremos quanta energia foi retirada da agua a fim de que ela resfriasse de 10C para 0C QomcAT Q 1501010 Q 1500cal 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Por fim calcularemos a quantidade de energia necessaria para fazer certa massa de gelo se transformar e virar agua Q3 mL Q3 540m 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Basta agora somar as energias e igualar a zero Qi Q2 Q3 0 400 1500 540m 0 1100 540m 0 540m 1100 1100 m Sy 2049 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Assim nas condi6ées descritas verificamos que ao se alcangar o equilibrio térmico em 0C 204g de gelo se transformam em agua em 0C Com isso ao final temos 19796g de gelo e 15204g de agua 1 COMPONDO UM CHUVEIRO ELÉTRICO UMA RESISTÊNCIA ELÉTRICA FORNECE UMA ENERGIA DE 2500J POR SEGUNDO PARA UM VOLUME DE 600ML DE ÁGUA QUE TAMBÉM PASSA PELO CHUVEIRO POR SEGUNDO SE A ÁGUA ENTRA COM TEMPERATURA DE 20 C COM QUAL TEMPERATURA ELA DEIXA O CHUVEIRO PARA RESPONDER TENHA EM CONTA QUE C 1 CAL G C A 20C B 21C C 22C D 23C 2 CERTA MASSA DE ÁGUA RECEBEU 50000CAL E SE AQUECEU EM 1C SE SEU CALOR ESPECÍFICO É DE 1CALGC A CAPACIDADE TÉRMICA DELA É IGUAL A A 6750 B 12500 C 25000 D 50000 GABARITO 1 Compondo um chuveiro elétrico uma resistência elétrica fornece uma energia de 2500J por segundo para um volume de 600ml de água que também passa pelo chuveiro por segundo Se a água entra com temperatura de 20 C com qual temperatura ela deixa o chuveiro Para responder tenha em conta que c 1 cal g C A alternativa B está correta Como os 600ml que correspondem a 600g de água passam por segundo eles absorvem 2500J por segundo Todavia é necessário converter a energia de Joules para calorias Assim Podemos determinar a temperatura com a qual a água deixa o chuveiro por meio da teoria de calor sensível Com isso cal C cal C cal C cal C Q 2500J 598 09cal 418 2 Certa massa de água recebeu 50000cal e se aqueceu em 1C Se seu calor específico é de 1calgC a capacidade térmica dela é igual a A alternativa D está correta Sabemos que o calor sensível é dado por Já a capacidade térmica é dada por MÓDULO 2 Reconhecer as três leis da termodinâmica INTRODUÇÃO A termodinâmica assim como qualquer parte da Física é regida por leis Elas explicam com exatidão e clareza como ocorre por exemplo a variação de temperatura em um corpo e de que maneira o calor se comporta Q mc Δ T 598 09 600 1 T 20 598 09 600T 12 000 600T 12 598 09 T 21C 1259809 600 Q mc Δ T 50 000 m 1 1 m 50 000 g 50000 1 C mc C 50 000 1 50 000 cal C Por meio dessas leis é possível construir máquinas térmicas que realizam trabalho mecânico ou outras que produzem tal trabalho com o objetivo de gerar calor Neste módulo as conheceremos e entenderemos como esse tipo de conhecimento iluminou o caminho evolutivo da humanidade PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Autor 963 CreationFonte Shutterstock Também conhecida como princípio de Joule a primeira lei da termodinâmica é a versão termodinâmica da lei de conservação da energia mecânica pois ela assume que diversas formas de trabalho podem ser convertidas em outras formas de energia De acordo com seus preceitos a energia transferida na forma de calor Q é igual à soma da variação da energia interna U do sistema termodinâmico analisado com o trabalho W por ele sofrido ou realizado Podemos observar isso nesta fórmula Q ΔU W 8 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal SAIBA MAIS A primeira lei da termodinamica foi estabelecida por Rudolf Clausius 18221888 O fisico e matematico alemao é considerado um dos fundadores deste ramo da ciéncia a termodinamica Quando o calor Q é medido em calorias a energia interna e o trabalho também devem estar na unidade de calorias no entanto se Q estiver em Joules a energia interna e o trabalho também deverao estar PELA SOMA DE DUAS PARCELAS DE ENERGIA MAS O QUE SIGNIFICA ESSA ENERGIA INTERNA Ela é a soma de toda a energia mecanica das particulas que compdem 0 sistema ou seja tratase do somatorio de todas as parcelas de energia cinética das particulas com a energia potencial delas Aenergia interna é considerada uma propriedade do sistema pois depende somente dos estados inicial e final do processo termodinamico Tendo isso em vista podemos fazer duas afirmacdées Quando Q é positivo ou seja Q 0 o sistema esta ganhando calor Quando Q é negativo ou seja Q 0 ele o esta cedendo Pela primeira lei da termodinamica demonstrada na equagao 8 ainda podemos fazer a seguinte afirmagao quanto maior for a energia interna de um sistema maior sera sua capacidade de realizar um trabalho No entanto tratase de uma convengao a indicar que Quando o sistema expande e realiza trabalho W 0 porém neste caso ele esta perdendo energia para o meio ambiente Quando se contrai e recebe trabalho W 0 no entanto neste caso o sistema esta recebendo energia do meio ambiente Em geral estudase o sistema termodinamico voltado para os gases O trabalho de um gas é dependente de sua pressao P e da variagao de seu volume AV 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Nesta equacao a pressdo é dada em Pascal Pa e a variagao do volume em metros cubicos m A primeira lei da termodinamica admite casos especiais que considerem o tipo de transformagao termodinamica que o sistema esta sofrendo Vamos analisalos agora Isotérmica AT 0 QW Isocérica W 0 Q AU Isobarica AU0e AU 0 AU QW Adiabatica Q0 AU W Expansé6es livres QW0 AU 0 1 Atengao Para visualizagaocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Condição termodinâmica em que a transformação ocorre a um volume constante ISOBÁRICA Condição termodinâmica em que a transformação ocorre a uma pressão constante ADIABÁTICA Condição termodinâmica em que a transformação ocorre sem troca de calor com o ambiente externo EXPANSÕES LIVRES Expansão de um gás sem que haja um recipiente Exemplo vapor dágua expandindo livremente para o ar e se dissipando na atmosfera Verificaremos agora uma exemplificação da aplicação da primeira lei da termodinâmica EXEMPLO Um determinado gás está confinado em um recipiente de 1m³ a uma pressão de 1atm 105Pa quando recebe uma quantidade de 2654789cal de energia na forma de calor e se expande para 3m³ Qual é sua variação de energia interna Neste vídeo abordaremos a determinação da variação de energia interna SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA O CONCEITO DE ENTROPIA A primeira lei da termodinâmica postula que há conservação de energia em qualquer transformação termodinâmica A segunda lei por sua vez determina as condições necessárias para a ocorrência espontânea de transformações termodinâmicas Ela foi inicialmente estabelecida como um conceito empírico CONCEITO EMPÍRICO Conceito estabelecido por intermédio da coleta de dados por observação de diversos experimentos físicos A partir disso foi estabelecido o seguinte para que haja um trabalho liquido em um sistema termodinamico ele precisa operar entre duas fontes térmicas mantidas a temperaturas distintas A segunda lei da termodinamica expressa desse modo que a quantidade de entropia de qualquer sistema termodinamico isolado tende a aumentar com o passar do tempo até atingir um valor maximo ISSO SIGNIFICA QUE PARA UM SISTEMA ISOLADO A ENTROPIA NUNCA DIMINUI Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal MAS O QUE E AENTROPIA Ela é uma grandeza termodinamica que mede o grau de liberdade molecular do sistema fisico observado Esse grau esta associado a quantia de possibilidades com a qual as particulas podem se distribuir em niveis energéticos quantizados Matematicamente definimos a entropia AS como a razao entre a variagao da energia em forma de calor AQ ea temperatura do T As 52 10 T Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal A unidade de medida da entropia no SI é 0 Joule por Kelvin JK todavia também é comum ela ser expressa em calorias por graus Celsius calC Como dissemos em um sistema isolado a entropia aumenta com o passar do tempo Desse modo verificamos que 45 011 At 0 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal A figura a seguir ilustra a entropia e o aumento da desordem molecular Com a equação 11 podemos afirmar que a entropia é um grau de desordem de um sistema físico termodinâmico Vejamos de que forma ela se manifesta em dois tipos de sistema Sistema isolado essa desordem somente tende a aumentar com o passar do tempo Sistema fechado a entropia se mantém ou aumenta Quando ela aumenta essa transformação é irreversível No entanto se o sistema não for isolado havendo portanto troca de calor com o meio ambiente pode haver nele uma redução de entropia EXEMPLO 1 1 Existe certa quantidade de água no interior de um calorímetro ideal ou seja um recipiente que impede a troca de calor com o meio externo Inicialmente com uma temperatura de 20C ela recebe alguma quantidade de energia e fica com 70C Esse incremento na temperatura aumentou sua energia interna U e por sua vez a entropia dela pois as moléculas da água passaram a ficar mais agitadas Como o calorímetro é ideal essa energia dada para a água nunca será cedida ao meio ambiente O fato de a temperatura dela não poder diminuir garante que a entropia do sistema não vai baixar 2 Em vez de em um calorímetro a água está agora contida em um copo de vidro sobre uma mesa Ao aquecer de 20C para 70C a entropia vai aumentar No entanto como existe uma troca de calor com o meio ambiente a água começa com o tempo a diminuir sua temperatura gradativamente até retornar àquela registrada inicialmente 20ºC Essa redução da temperatura diminui a energia interna do sistema o que também diminui a entropia do sistema Observaremos agora outro exemplo com uma aplicação da teoria da segunda lei da termodinâmica EXEMPLO 2 Isolado do meio externo determinado sistema físico sofre uma variação de energia interna de 5000000J se equilibrando em uma temperatura de 795K Qual é a sua variagao de entropia De acordo com a equagao 10 notamos que AQ AS Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Substituindo os valores temos o seguinte 5000000 J AS 2a 6 289 31 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal TERCEIRA LEI DA TERMODINAMICA Desenvolvida pelo quimico Walther Nernst a terceira lei da termodinamica postula que a entropia de um sistema no zero absoluto OK é constante Essa afirmagao se justifica pelo fato de que qualquer sistema termodinamico a OK 273C existe em seu estado fundamental A EXPLICAGAO PARA ISSO E QUE A 0K NAO EXISTE VIBRAGAO MOLECULAR DESSA FORMA NAO HA ENERGIA INTERNA SEM ELA NAO SE REGISTRA DESORDEM E SEM DESORDEM A ENTROPIA E NULA Matematicamente a terceira lei da termodinamica é descrita como limAS012 T0 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Todo corpo possui uma vibragao molecular Essa vibragao é dependente da temperatura com isso quanto maior for a temperatura maior sera a vibragao molecular e por consequéncia a desordem das moléculas Contudo o contrario também é valido quanto menor for a temperatura menores serao o desarranjo molecular e a entropia A TERCEIRA LEI DA TERMODINAMICA PREVE QUEA ENTROPIA SO E NULA QUANDO A VIBRAGAO MOLECULAR TAMBEM E NULA Isso so pode ser alcangado na temperatura de zero absoluto que corresponde ao zero Kelvin OK Em OK as moléculas assumem um arranjo perfeito A figura a seguir ilustra o comportamento da entropia com a diminuigao da temperatura Energy Entropy the 2nd Law of Thermodynamics of o O6 o0 of050 0 0 o0 208 o oO High Randomness Low Randomness High Entropy Low Entropy High Disorder Low Disorder 1 UM SISTEMA NAO ISOLADO ESTA CEDENDO ENERGIA PARA O MEIO AMBIENTE NA FORMA DE CALOR DESSA MANEIRA PODEMOS AFIRMAR QUE A Sua temperatura está aumentando B Sua entropia está diminuindo C Sua entropia se mantém constante D Sua temperatura se mantém constante 2 SOBRE UM PROCESSO TERMODINÂMICO QUE OCORRE DE FORMA ISOLADA E SUA ENTROPIA CLASSIFIQUE AS ALTERNATIVAS ABAIXO COMO VERDADEIRAS V OU FALSAS F EM UM PROCESSO ISOLADO A ENTROPIA DO SISTEMA DIMINUI COM O TEMPO EM UM PROCESSO ISOLADO A TEMPERATURA DO SISTEMA AUMENTA COM O PASSAR DO TEMPO EM UM PROCESSO ISOLADO EM QUE NÃO HÁ GANHO DE ENERGIA POR FONTE EXTERNA A ENTROPIA SE MANTÉM A OPÇÃO QUE APRESENTA A CORRETA VERACIDADE DAS AFIRMAÇÕES É A A V V V B F F F C F F V D V F V 3 UM GÁS SOFRE UMA TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA PORÉM SE EXPANDE SAINDO DE SEU RECIPIENTE PARA O MEIO EXTERNO DIANTE DISSO PODEMOS AFIRMAR QUE A O gás sofre trabalho sobre o meio externo B O gás libera calor e se contrai C O gás absorve calor e realiza trabalho sobre o meio externo realizando um trabalho negativo D O gás absorve calor e realiza trabalho sobre o meio externo realizando um trabalho positivo 4 EM UMA TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA UM GÁS SE EXPANDE EM 05M³ A UMA PRESSÃO DE 3ATM SUA VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA É IGUAL A A 1 5x105J B C D 5 EM UMA TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICA UM GÁS DE MASSA 5G E CALOR ESPECÍFICO IGUAL A 01CALGC ALTERA SUA TEMPERATURA EM 256C POSITIVAMENTE A VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DELE É IGUAL A A B C D 6 EM UMA TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA UM SISTEMA PERDE 2000CAL PARA O MEIO AMBIENTE E SOFRE UMA VARIAÇÃO DE VOLUME DE 02 M³ A UMA PRESSÃO DE 105PA NESTE CASO A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA É IGUAL A A 22180J B 24600J C 26580J D 28360J GABARITO 1 Um sistema não isolado está cedendo energia para o meio ambiente na forma de calor Dessa maneira podemos afirmar que A alternativa B está correta Como o sistema está diminuindo sua temperatura ele também diminui a energia interna dele Suas moléculas estão se agitando menos com isso a desordem está diminuindo assim como a entropia do sistema 2 Sobre um processo termodinâmico que ocorre de forma isolada e sua entropia classifique as alternativas abaixo como verdadeiras V ou falsas F Em um processo isolado a entropia do sistema diminui com o tempo Em um processo isolado a temperatura do sistema aumenta com o passar do tempo Em um processo isolado em que não há ganho de energia por fonte externa a entropia se mantém 1 5x105J 3 0x105J 3 0x105J 535 04J 525 24J 535 04J 525 24J A opção que apresenta a correta veracidade das afirmações é a A alternativa C está correta Assista ao vídeo que aborda a teoria da Entropia e também apresenta a resolução desta questão 3 Um gás sofre uma transformação isotérmica porém se expande saindo de seu recipiente para o meio externo Diante disso podemos afirmar que A alternativa D está correta Em uma reação isotérmica toda energia absorvida na forma de calor é utilizada para a realização do trabalhoAo realizar o trabalho o gás se expandeIsso faz com que ele tenha um trabalho positivo pois seu volume final é maior que o inicialSua expansão demonstra que esse gás está realizando trabalho sobre o meio ambiente 4 Em uma transformação adiabática um gás se expande em 05m³ a uma pressão de 3atm Sua variação de energia interna é igual a A alternativa A está correta Assista ao vídeo que aborda a transformação adiabática e a variação de energia interna e também apresenta a resolução desta questão 5 Em uma transformação isocórica um gás de massa 5g e calor específico igual a 01calgC altera sua temperatura em 256C positivamente A variação de energia interna dele é igual a A alternativa A está correta Em uma transformação isocórica W 0 Assim Como não há mudança de fase do gás podemos determinar o calor pela teoria de calor sensível A energia interna é descrita como Q ΔU W Q ΔU 0 ΔU Q Q mc Δ T ΔU mc Δ T Dessa forma a variação da energia interna é igual a Convertendo para Joules e multiplicando por 418 temos 6 Em uma transformação isobárica um sistema perde 2000cal para o meio ambiente e sofre uma variação de volume de 02 m³ a uma pressão de 105Pa Neste caso a variação da energia interna é igual a A alternativa D está correta Em uma transformação isobárica temos que Todavia como ocorre uma perda de calor para o meio ambiente há redução de volume com isso o trabalho é A energia também deve ser convertida de calorias para Joules Então multiplicando por 418 encontramos Dessa forma a variação de energia interna é igual a GABARITO TEORIA NA PRÁTICA Vimos que o trabalho realizado por um gás é obtido pelo produto entre a pressão e a variação de seu volume No entanto tal equação tem funcionalidade apenas para os casos em que a pressão é constante Há muitos sistemas termodinâmicos em que o gás realiza um trabalho em uma condição na qual a pressão não é constante Neste caso para determinar o trabalho é necessário montar um gráfico denominado diagrama PV ΔU 5 0 1 256 128 cal ΔU 128 4 18 535 04 J ΔU Q W W 105 0 2 2x104J 20 000J Q 2 000 4 18 8 360 J ΔU 8 360 20 000 28 360J W P ΔV pressao por volume Seu trabalho é determinado pelo calculo da area da forma geométrica gerada pelas curvas de transformacées térmicas 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Tendo isso em vista consideraremos a seguinte situagao Determinado gas possui 3m de volume e esta a uma pressao de 12Pa De repente ele sofre uma transformagao o estado final dele passa a ser de um volume de 10m e pressao de 6Pa Indique o trabalho realizado por esse gas Primeiramente precisamos montar o grafico PV da seguinte maneira Be 11 Se 10 o 9 N QO 8 Be 7 6 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Volume m Em seguida determinaremos a figura geométrica a qual ao se verificar a area sobre a curva 6 montada da seguinte forma 12 11 10 NN 1G 97 12 a 8 7 N 6 7 Z 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Volume m Podemos observar que a area sobre a curva montou um trapézio de base maior 12Pa base menor 6Pa e altura 7m Entao para o calculo do trabalho calcularemos a area desse trapézio Bbh 1267 W A trapézio Tg 63J 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Neste caso em que a transformacao termodinamica promove uma mudanga de volume e pressao o trabalho do gas foi determinado pela area sobre a curva do trabalho plotada em um grafico PV 1 EM UMA TRANSFORMAGAO ADIABATICA UM GAS SE EXPANDE EM 5M A UMA PRESSAO DE 1ATM SUA VARIAGAO DE ENERGIA INTERNA E IGUAL A A 5210J B 5210J C 3 0210 J D 3 0210J 2 EM UMA TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICA UM GÁS DE MASSA 75G E CALOR ESPECÍFICO EQUIVALENTE A 120CALGC ALTERA SUA TEMPERATURA POSITIVAMENTE EM 56C A VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA DELE É IGUAL A A 5153504cal B 50400cal C 5153504cal D 50400cal GABARITO 1 Em uma transformação adiabática um gás se expande em 5m³ a uma pressão de 1atm Sua variação de energia interna é igual a A alternativa A está correta Em uma transformação adiabática Q 0 Logo Como o trabalho de um gás é dado por A energia interna é descrita como A pressão tem de ser expressa em Pascal Assim a variação da energia interna é igual a 2 Em uma transformação isocórica um gás de massa 75g e calor específico equivalente a 120calgC altera sua temperatura positivamente em 56C A variação de energia interna dele é igual a A alternativa B está correta Em uma transformação isocórica temos que W 0 Q ΔU W 0 ΔU W ΔU W W P Δ V ΔU P Δ V 1atm 105Pa ΔU P Δ V ΔU 105 5 5x105J Logo Como não há mudança de fase do gás podemos determinar o calor pela teoria de calor sensível A energia interna é descrita como Dessa forma a variação da energia interna é igual a MÓDULO 3 Identificar a teoria termodinâmica por trás do funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores MÁQUINAS TÉRMICAS Uma máquina térmica trabalha absorvendo calor do meio ambiente à sua volta e convertendoo em trabalho útil Porém para que tal conversão seja realizada essa máquina depende de uma substância de trabalho em geral um fluido Um exemplo simplório disso é o funcionamento de uma máquina que funciona a vapor dágua Q ΔU W Q ΔU 0 ΔU Q Q mc Δ T ΔU mc Δ T ΔU 75 12 0 56 50 400 cal VAPOR DÁGUA O vapor dágua é a substância de trabalho que ao se expandir realiza um trabalho mecânico sobre uma roda e a faz girar Figura 4 Máquina com funcionamento a vapor dágua Autor AopsanFonte Freepik Uma máquina térmica precisa funcionar continuamente sempre convertendo calor em trabalho mecânico trabalho útil Para que isso seja possível tal máquina deve trabalhar em um ciclo fechado no qual ocorrem diversos processos termodinâmicos chamados de tempos MÁQUINA DE CARNOT CICLO DE CARNOT O CICLO IDEAL Para aprofundar nosso conhecimento sobre as máquinas térmicas é necessário recorrer à ciência da termodinâmica e verificar como suas leis podem nos ajudar a compreender mais sobre o funcionamento delas FUNCIONAMENTO Existem diversos tipos de motores logo há muitos tipos de máquinas térmicas A máquina térmica de Carnot se baseia no ciclo de transformação termodinâmico de Carnot MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT O ciclo de Carnot foi desenvolvido antes do desenvolvimento das duas leis da Termodinâmica É importante mencionar que a máquina de Carnot é uma máquina ideal o que significa que nenhuma máquina térmica consegue alcançar a sua eficiência Esse ciclo mostra que a máquina térmica de Carnot é a mais eficiente para a conversão de calor em trabalho útil Na figura a seguir podemos observar um esquema representativo do funcionamento dessa máquina Figura 05 Esquema de funcionamento de uma máquina A máquina de Carnot funciona com duas fontes De temperatura quente TQ Fornece ao fluido de trabalho uma quantidade de calor QQ De temperatura fria Tr Retira calor QF desse fluido DICA Chamar uma fonte de quente e outra de fria uma convencgao apenas para afirmar que Tq Tr por sua vez que Qqg Qr Devemos explicar agora 0 que ocorre na figura acima a fonte quente aquece o fluido fornecendolhe calor logo esse fluido se expande e se movimenta Ao se expandir ele realiza um trabalho No entanto para que sua expansao ocorra e ele realize o trabalho 6 necessario haver uma fonte fria pois caso contrario o sistema entra em equilibrio térmico e o fluido para de se movimentar Durante a expansao do fluido e consequentemente sua movimentagao ele transfere parte do calor absorvido na fonte quente para a maquina realizando um trabalho mecanico e fazendoa se movimentar como ilustra a figura acima Contudo a energia absorvida na fonte quente nao é integralmente aproveitada para realizar o trabalho Desse modo em tal situagao a restante é retirada do fluido pela fonte fria Ao despejala nessa fonte o fluido de trabalho reinicia 0 ciclo para que o trabalho mecanico seja realizado constantemente Ja a energia que transcorre pelo fluido na fonte quente é a energia total que o fluido recebe Assim assumindo que nao ha perda de calor para o meio ambiente podemos estabelecer que a retirada de energia nessa fonte é igual a soma entre o trabalho realizado pela maquina e a energia despejada na fonte fria Qo W Qr13 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Observemos agora outra figura Ela apresenta um diagrama pressao por volume PV do ciclo de Carnot O sentido das transformagées termodinamicas do ciclo esta indicado pelas setas Podemos perceber que esse ciclo percorrido no sentido horario Figura 06 Diagrama PV do Ciclo de Carnot A figura acima também apresenta o funcionamento de um cilindro ideal que fabricado de material isolante contém um fluido Esse cilindro nos ajuda a compreender o funcionamento mecânico do ciclo de Carnot Para isso consideraremos que O fluido é um gás ideal O cilindro se encontra entre uma fonte quente e uma fria No ponto 1 da figura a fonte quente cede energia para o fluido de trabalho havendo uma transformação isotérmica pelo fato de a temperatura da fonte quente ser constante Completada a transformação o fluido atinge o ponto 2 do diagrama PV neste ponto ele sofre uma transformação de expansão adiabática e em seguida realiza o trabalho sobre o cilindro empurrando o êmbolo até a altura máxima que ele pode assumir no local realiza trabalho mecânico sobre o cilindro W EM SEGUIDA O FLUIDO ATINGE O PONTO 3 DO DIAGRAMA ALI ELE PERDE ENERGIA PARA A FONTE FRIA COMO A TEMPERATURA DESSA FONTE É CONSTANTE O FLUIDO SOFRE UMA COMPRESSÃO ISOTÉRMICA E ATINGE O PONTO 4 DO DIAGRAMA No último ponto o êmbolo realiza um trabalho adiabático sobre o fluido comprimindoo Isso faz o ciclo retornar para o ponto 1 e daí em diante se repetir indefinidamente No ciclo termodinâmico da figura acima o trabalho pode ser medido pelo cálculo da área no interior da curva formada pelo ciclo DICA O processo é equivalente ao que foi feito no tópico Teoria na prática do módulo 2 DETERMINACGAO DA EFICIENCIA Em qualquer tipo de maquina o maior interesse é converter o maximo possivel de energia em trabalho util Essa conversdo é chamada de rendimento Matematicamente esse rendimento é determinado pela razao entre o trabalho realizado pela maquina W ea quantidade de energia total cedida a ela o que no caso de uma maquina térmica corresponde ao calor fornecido pela fonte quente Qq Diante disso matematicamente temos W E13 Qa Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Mensurar o trabalho realizado é uma tarefa dificil Por isso precisaremos reescrever a equacao 13 para podermos deixar o rendimento em fungao de parametros conhecidos Temperatura quente Tq Temperatura fria TF Em seguida tiraremos da equagao 12 que W Qg QF Substituindo W em 13 obtemos o seguinte QqQr E 14 Qa Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Reescrevendo 14 temos Qe Qr E O Qa Qa Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Simplificando Qr e1 15 Qa 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Neste tipo de transformagao nao ha mudanga de fase Desse modo podemos escrever Qe e Qg em fungao da teoria de calor sensivel mcl pr E1 16 mcIg 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Note que as equagées do calor sensivel foram descritas em fungao de Tr e Tg e nao de DT e DT Afinal as transformacg6ées sao isotérmicas Simplificando 16 verificamos que Tr e117 TQ 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Da equagao 17 deduzimos que conhecendo as temperaturas das fontes fria e quente é possivel determinar o rendimento dessa maquina térmica ATENCAO Para esse calculo a temperatura deve ser convertida para Kelvin Caso contrario o rendimento calculado sera ficticio Podemos escrever a equacao 17 na forma porcentual da seguinte maneira Ip ot 17 xz100 18 Q 0 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Como Tr Tg a eficiéncia da maquina térmica menor que 100 A maquina térmica perfeita seria aquela cujo rendimento fosse de 100 Contudo sabemos que isso nao é possivel no mundo real Na equagao 17 observamos que o rendimento so seria assim se Tp 0 ou Tg Veja o caso a seguir 2s ante yA TA oS r IN Autor Fonte Para determinarmos o seu rendimento primeiramente precisamos converter a temperatura de C para K Tg 500 273 773K Tr 190 273 463K 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Utilizando a equaao 18 temos 463 Em 1 725x100 40 10 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Assim a quantidade de energia perdida para a fonte fria é igual a Qr 100 4010 59 90 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Apesar de o resultado do trabalho convertido ser de 4010 esse valor ainda é muito alto ao se tratar de uma máquina térmica real EXEMPLO Um motor de automóvel converte de 23 a 30 de toda a energia gerada em trabalho sendo o restante perdido na forma de calor REFRIGERADORES Naturalmente o calor flui de uma fonte quente para uma fria Porém é possível fazêlo fluir da fonte fria para quente utilizando uma máquina térmica chamada de refrigerador EXEMPLO Geladeira e arcondicionado Para transferir calor do ambiente frio para o quente o refrigerador utiliza o trabalho mecânico contando em geral com o auxílio de um motor que possui um líquido de trabalho com um fluido pressurizado Esse fluido tem como principal propriedade a capacidade de alterar seu estado físico de gasoso para líquido durante o ciclo dele A figura a seguir apresenta um esquema do funcionamento de um refrigerador Observe que ele funciona de maneira oposta à de uma máquina térmica Isso demonstra que ele retira energia da fonte fria e a deposita na quente quando o ciclo recebe trabalho do motor ou compressor Figura 07 Esquema do funcionamento de um refrigerador To A eficiéncia do refrigerador é determinada pelo seu coeficiente de desempenho kK 0 qual por sua vez é calculado pela razao entre a energia retirada da fonte fria Qe e a consumida W no processo de refrigeracgao Matematicamente temos isto K 19 WwW Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal No caso de um refrigerador ideal ou seja um refrigerador de Carnot verificamos a seguinte representagao Qr Ko F 20 Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Fazendo WQQQr observamos Ko 21 CC QqQr Oi Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Fazendo Q mcT obtemos K mcl rp C mcIgmcl 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Simplificando K r 99 C ToTr 1 Atengao Para visualizagao completa da equagao utilize a rolagem horizontal Na industria o desempenho de um arcondicionado doméstico é de K 25 e o desempenho de uma geladeira doméstica é de K 5 Imaginemos que um refrigerador se encontra em um local onde a temperatura da fonte quente é de 42C Para que sua eficiéncia seja de 25 qual deve ser a temperatura da fonte fria Consideraremos um refrigerador de Carnot para essa solucgao RESOLUCAO Assista ao video que aborda a determinagao da temperatura ideal para rendimento e também apresenta a resolugao desta questao MÃO NA MASSA 1 UMA MÁQUINA TÉRMICA RECEBE 4000J DE ENERGIA DA FONTE QUENTE MAS UTILIZA SOMENTE 2 DELA A ENERGIA TRANSMITIDA PARA A FONTE FRIA É IGUAL A A 1990J B 2300J C 2594J D 3920J 2 UMA MÁQUINA REALIZA UM TRABALHO DE 2000J E TRANSFERE 4330J PARA A FONTE FRIA O TOTAL DE CALOR RECEBIDO PELA FONTE QUENTE É IGUAL A A 6330J B 4920J C 3280J D 2111J 3 UM REFRIGERADOR RETIRA CALOR DE UM AMBIENTE A 25C PARA OUTRO CUJA TEMPERATURA É 32C SUA EFICIÊNCIA É DE A 4257 B 5097 C 6969 D 7177 4 UMA MÁQUINA TÉRMICA TEM SUA FONTE FRIA IGUAL A 10C QUAL DEVE SER A TEMPERATURA DA FONTE QUENTE PARA QUE SEU RENDIMENTO SEJA DE 5 A 249C B 2418C C 5118C D 5136C 5 O RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA DE CARNOT É DE 10 DIANTE DISSO ASSINALE A OPÇÃO QUE REPRESENTA TF A 90 de TQ B 30 de TQ C 70 de TQ D 60 de TQ 6 UMA MÁQUINA TÉRMICA TEM RENDIMENTO DE 036 SUA FONTE QUENTE FORNECE 28000CAL DE ENERGIA A ENERGIA PERDIDA PARA A FONTE FRIA É IGUAL A A 15201cal B 17920cal C 16551cal D 17800cal GABARITO 1 Uma máquina térmica recebe 4000J de energia da fonte quente mas utiliza somente 2 dela A energia transmitida para a fonte fria é igual a A alternativa D está correta Se apenas 2 são utilizados 98 são transmitidos para a fonte fria Desse modo 2 Uma máquina realiza um trabalho de 2000J e transfere 4330J para a fonte fria O total de calor recebido pela fonte quente é igual a A alternativa A está correta Assista ao vídeo que aborda o cálculo do calor total de uma máquina térmica e também apresenta a resolução desta questão 3 Um refrigerador retira calor de um ambiente a 25C para outro cuja temperatura é 32C Sua eficiência é de A alternativa A está correta A eficiência é dada por QF 0 98 4000 3920J KC TF TQTF KC 42 57 25273 3227325273 A todos os valores de temperatura foi adicionado o valor 273 pelo fato de ser necessário converter a temperatura de Celsius para Kelvin 4 Uma máquina térmica tem sua fonte fria igual a 10C Qual deve ser a temperatura da fonte quente para que seu rendimento seja de 5 A alternativa A está correta O rendimento é dado por Substituindo Convertendo tal temperatura para Celsius temos 5 O rendimento de uma máquina de Carnot é de 10 Diante disso assinale a opção que representa TF A alternativa A está correta Assista ao vídeo que aborda a relação entre TQ e TF e também apresenta a resolução desta questão ε 1 TF TQ 0 05 1 10273 TQ 0 05 1 10273 TQ 0 95 283 TQ TQ 283 095 TQ 297 90K TQ 297 90 273 24 9C 6 Uma máquina térmica tem rendimento de 036 Sua fonte quente fornece 28000cal de energia A energia perdida para a fonte fria é igual a A alternativa B está correta GABARITO VERIFICANDO O APRENDIZADO 1 UMA MÁQUINA DE CARNOT OPERA COM UMA EFICIÊNCIA DE 20 ASSINALE A OPÇÃO QUE REPRESENTE A DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRE TQ E TF A 20 de TQ B 30 de TF C 70 de TQ D 70 de TF 2 UMA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT TEM UM RENDIMENTO DE 028 SE FOSSE UM ε 1 QF QQ 0 36 1 QF 28000 0 64 QF 28000 QF 17 920cal REFRIGERADOR QUAL SERIA SEU RENDIMENTO A 351 B 353 C 355 D 357 GABARITO 1 Uma máquina de Carnot opera com uma eficiência de 20 Assinale a opção que represente a diferença de temperatura entre TQ e TF A alternativa A está correta Substituindo temos A diferença entre a fonte quente e a fria é dada por Ou seja a diferença de temperatura corresponde a 20 da temperatura da fonte quente TQ 2 Uma máquina térmica de Carnot tem um rendimento de 028 Se fosse um refrigerador qual seria seu rendimento A alternativa D está correta O rendimento de Carnot é o inverso da sua eficiência Dessa forma ε 1 x100 TF TQ 20 1 x100 TF TQ 0 2 1 TF TQ TF 0 8 TQ TF 0 8TQ ΔT TQ TF ΔT TQ 0 8TQ ΔT 0 2TQ CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste tema vimos que na forma de calor a energia pode ser transferida de um corpo para outro dependendo apenas da diferença de temperatura entre eles Verificamos ainda que há dois tipos de calor o sensível no qual o corpo muda a temperatura dele embora preserve o estado físico da matéria e o latente em que essa variação cessa e a mudança de estado acontece Observamos também leis termodinâmicas que descrevem não só como a troca de calor ocorre mas também como ela gera impactos nos corpos envolvidos Por fim explicamos como a humanidade utilizou esse conhecimento para produzir máquinas térmicas e refrigeradores com o objetivo de gerar uma melhoria da qualidade de vida na sociedade AVALIAÇÃO DO TEMA REFERÊNCIAS BRUNETTI F Motores de combustão interna São Paulo Blucher 2012 CUTNELL J D JOHNSON K W Física v 1 9 ed Rio de Janeiro LTC 2016 HALLIDAY D RESNICK R WALKER J Fundamentos de física v 2 10 ed Rio de Janeiro LTC 2016 TIPLER P A MOSCA G Física para cientistas e engenheiros v 1 6 ed Rio de Janeiro LTC 2014 KC 3 57 1 ε 1 028 EXPLORE Aprofunde o seu conhecimento sobre os conceitos de conservação da energia térmica em PELLEGRINI C de C A busca pelo copo ideal um estudo de otimização em transferência de calor In Revista brasileira de ensino de Física v 41 n 3 São Paulo 23 maio 2019 Saiba mais sobre as máquinas térmicas em OLIVEIRA P M C DECHOUM K Facilitando a compreensão da segunda lei da termodinâmica In Revista brasileira de ensino de Física v 25 n 4 São Paulo novdez 2003 Aprofunde a sua visão sobre a segunda lei da termodinâmica em FREITAS L R D PEREIRA L F C Variação da entropia total para um corpo em contato com reservatórios térmicos o caminho da reversibilidade In Revista brasileira de ensino de Física v 41 n 4 São Paulo 23 maio 2019 CONTEUDISTA Gabriel Burlandy Mota de Melo CURRÍCULO LATTES