Conteúdo sobre Oscilações, Fluidos e Termodinâmica

OSCILAÇÕES FLUIDOS E TERMODINÂMICA Professoras Andréia Simões Conteúdo da Unidade TEMPERATURA E CALOR EQUILÍBRIO TÉRMICO TERMÔMETROS E ESCALA DE TEMPERATURA DILATAÇÃO TÉRMICA PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA O que veremos Segunda Lei da Termodinâmica Processos irreversíveis A Primeira Lei da Termodinâmica manifesta o Principio de Conservação da Energia aplicado ao sistema reconhecendo que calor é uma forma de energia Pela primeira lei se um processo que conserva a energia total ocorre em um sentido nada impede que ele ocorra no sentido inverso invertendo a seqüência temporal O fluxo de calor de um corpo frio para um corpo quente não violaria a primeira lei da termodinâmica a energia seria conservada Porém isso não ocorre na natureza Por que não A experiência mostra que os processos observados macroscopicamente tendem a ocorrer em um só sentido ou seja são irreversíveis Processos irreversíveis Os processos acima são todos exemplos de processos irreversíveis ou seja não podem ser desfeitos através de mudanças no ambiente Processos irreversíveis ocorrem apenas em uma certa ordem ou seja em um sentido único Processos reversíveis processos de equilíbrio são processos idealizados nos quais podese realizar a trajetória inversa do processo A Segunda Lei da Termodinâmica aparece para definir a seta do tempo entropia e processos irreversíveis Ela trata da quantidade de trabalho que pode ser obtida nos processos de transformação de energia Historicamente a formulação da segunda lei da termodinâmica esteve ligada com um problema de engenharia surgindo pouco após a invenção da máquina a vapor Na gravura acima observase uma instalação industrial do século XVIII As máquinas industriais eram acopladas a eixos que giravam graças a uma máquina térmica a vapor Máquina Térmica Qualquer dispositivo que transforma calor parcialmente em trabalho ou em energia mecânica denominase máquina térmica Todas as máquinas térmicas absorvem calor de uma fonte a temperaturas relativamente altas realizam algum trabalho mecânico e descartam ou rejeitam algum calor a uma temperatura mais baixa O reservatório quente representa a fonte de calor O reservatório frio pode absorver grandes quantidades do calor rejeitado pela máquina a uma temperatura constante TC Representação esquemática de uma máquina térmica As máquinas térmicas produzem a transformação parcial de calor em trabalho utilizando uma substância de trabalho geralmente operando em processo cíclico QH Calor absorvido fonte energética QC Calor rejeitado Q QH QC H C H C H Q Q Q Q Q W e 1 1 A cada ciclo é produzido uma quantidade de trabalho W Eficiência Térmica Máquinas de combustão interna O motor a gasolina usado em automóveis e em outras máquinas é um exemplo familiar de máquina térmica Ciclo de um motor de combustão interna com quatro tempos Diagrama PV de um ciclo de Otto modelo do ciclo idealizado dos processos termodinâmicos em um motor a gasolina Ponto a mistura de ar e gasolina entra no ciclo Linha ab A mistura é comprimida adiabaticamente Linha bc Mistura sofre igniçãoO calor QH é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc Linha cd expansão adiabática até o ponto d tempo que ocorre realização de trabalho Linha da O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da durante esse processo o calor QC é rejeitado Mostre No ciclo do motor Diesel não existe combustível no cilindro no início do tempo de compressão Um pouco antes do início do tempo de potência os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro com uma velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática o combustível explode espontaneamente ao ser injetado não é necessário usar nenhuma vela de ignição Diagrama PV de um ciclo diesel ideal Refrigeradores Um refrigerador é uma máquina térmica funcionando com um ciclo invertido A cada ciclo é fornecido um trabalho W Como em uma máquina térmica continua válida a relação C H Q Q W Coeficiente de Performance C H C C P Q Q Q W Q K Princípio de funcionamento do ciclo de um refrigerador Segunda lei da Termodinâmica Máquinas Térmicas Enunciado de KelvinPlank máquinas térmicas É impossível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho Enunciado de Clausius refrigeradoresÉ impossível realizar um processo cujo único efeito seja transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente A violação de um enunciado implica na violação do outro Ciclo de Carnot De acordo com a segunda lei nenhuma máquina térmica pode ter eficiência de 100 O engenheiro francês Sadi Carnot 17961832 desenvolveu uma máquina hipotética ideal que fornece a eficiência máxima permitida pela segunda lei O ciclo dessa máquina é conhecido como ciclo de Carnot O esforço de Carnot para entender a eficiência das máquinas a vapor conduziuo à idéia de que uma máquina ideal envolveria apenas processos reversíveis Durante a transferência de calor no ciclo de Carnot não deve existir nenhuma diferença de temperatura finita A conclusão é que todo processo em nosso ciclo idealizado deve ser isotérmico ou adiabático O ciclo de Carnot consiste nas seguintes etapas 1 O gás se expande isotermicamente na temperatura TH absorvendo um calor QH ab 2 O gás se expande adiabaticamente até que sua temperatura cai para TC bc 3 Ele é comprimido isotermicamente na temperatura TC rejeitando o calor QC cd 4 Ele é comprimido adiabaticamente retornando a seu estado inicial na temperatura TH da Máquina de Carnot e a Segunda Lei Nenhuma máquina térmica que opere entre dois reservatórios térmicos dados pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios Como esclarecer o sentido da seta do tempo Será preciso introduzir o conceito de Entropia para o estudo da irreversibilidade Entropia A entropia fornece uma medida quantitativa da desordem de um sistema O calor fornecido a um corpo faz sua desordem aumentar porque ocorre um aumento de velocidade média de cada molécula e portanto o estado caótico aumenta A expansão livre de um gás faz aumentar sua desordem porque as posições das moléculas tornamse mais aleatórias do que antes da expansão Como a Energia interna a entropia é uma função de estado mas não se conserva De forma geral para qualquer tipo de processo reversível vale a expressão Para processos irreversíveis inventamos um caminho ligando o estado final ao estado inicial que seja constituído totalmente por processos reversíveis e calculamos a variação total de entropia nesse caminho hipotético Não é o caminho real mas o resultado deve ser o mesmo que seria obtido no caminho real A unidade da entropia é uma unidade de energia dividida por uma unidade de temperatura no SI a unidade da entropia é 1 JK Quando todos os sistemas que ocorrem em um processo são incluídos a entropia aumenta ou permanece constante Em outras palavras não existe nenhum processo com diminuição de entropia quando todas as possíveis variações de entropia são incluídas Entropia e Segunda Lei A soma das variações de entropia do sistema e vizinhanças em processos irreversíveis cresce permanece constante para processos reversíveis 0 Stotal Terceira Lei da Termodinâmica princípio da inatingibilidade do zero absoluto É impossível reduzir a temperatura do sistema a zero absoluto em um número finito de processos Um motor Diesel produz 2200 J de trabalho mecânico e rejeita 4300 J de calor em cada ciclo a Qual deve ser a quantidade de calor a ser fornecida para a máquina em cada ciclo b Qual é a eficiência térmica da máquina H C H C H Q Q Q Q Q W e 1 1 Exercício 1 Certa usina termelétrica alimentada por reação nuclear produz uma potência mecânica usada para operar um gerador elétrico igual a 330 MW Sua taxa de absorção de calor do reator nuclear é igual a 1300 MW a Qual é a eficiência térmica b Com que taxa o calor é rejeitado Exercício 2 Um freezer possui um coeficiente de desempenho igual a 240 O freezer deve converter 180 kg de água a 25 C em 180 kg de gelo a 5 C em uma hora a Que quantidade de calor deve ser removida da água a 25 C para convertêla em gelo a 5 C b Qual é a energia elétrica consumida pelo freezer durante uma hora c Qual é a quantidade de calor rejeitado para a sala na qual o freezer está localizado C H C C P Q Q Q W Q K Exercício 3 Um estudante universitário na falta do que fazer aquece 0350 kg de gelo a 0 C até ele se fundir completamente a Qual é a variação da entropia da água b A fonte de calor é um corpo com massa muito grande a uma temperatura igual a 25 C Qual é a variação de entropia do corpo c Qual é a variação total de entropia da água e da fonte de calor Exercício 4 Cenas do próximo capítulo Revisão assíncrona 01082022 Prova assíncrona 03082022 Referências NUSSENZVEIG H M Curso de física básica Termodinâmica e ondas 4 ed São Paulo Edgard Blucher 2002 FREEDMAN R YOUNG H D Física II Termodinâmica e Ondas 14 Ed Pearson Education do Brasil 2016