Termodinâmica: Energia Cinética e Potencial

TERMODINÂMICA Pollianna Jesus de Paiva Mendes Godoi Energia cinética Energia cinética é a energia que um corpo tem para se movimentar isto é o trabalho que determinado corpo ou objeto apresenta ao acelerarse De acordo com Çengel e Boles 2013 a energia macroscópica de um sistema está relacionada ao movimento e à influência de alguns efeitos externos como gravidade magnetismo eletricidade e tensão superficial A energia que um sistema tem como resultado de seu movimento relativo a algum referencial é chamada de energia cinética em kJ Quando todas as partes de um sistema se movem com a mesma velocidade a energia cinética é expressa como Onde m é a massa do corpo e V é a velocidade Energia potencial Energia potencial é a energia armazenada em um sistema por meio da inte ração de corpos Porém esse armazenamento se dá pela associação do corpo ao sistema físico conforme as forças do peso e elástica Energia potencial gravitacional é a energia do corpo sob influência de campo gravitacional que é medido por meio do trabalho pelo peso do corpo considerando a locomoção da posição inicial até a posição final Energia potencial elástica está armazenada a partir da deformação de um elástico cuja deformação pode gerar um movimento de impulsão em um corpo Conforme dizem Çengel e Boles 2013 a energia que um sistema apresenta como resultado de sua altura em um campo gravitacional é chamada de energia potencial em kJ e é expressa como EP mgz Onde g é a aceleração gravitacional e z é a elevação do centro de gravidade do sistema com relação a algum nível de referência escolhido arbitrariamente Energia e transferência de energia 2 Energia interna Energia interna é a soma da energia cinética e potencial das moléculas As formas de energia relacionadas com a estrutura molecular de um sistema e com o grau de atividade molecular são chamadas de energia microscópica A soma de todas as formas microscópicas de energia é denominada energia interna do sistema ÇENGEL GHAJAR 2012 A energia interna pode ser entendida como a soma das energias cinética e potencial das moléculas A parte da energia interna associada com a energia cinética das moléculas é denominada energia sensível ou calor sensível A velocidade média e o grau de atividade das moléculas são proporcionais à temperatura Assim em altas temperaturas as moléculas têm energia cinética alta e consequentemente o sistema apresenta alta energia interna ÇENGEL GHAJAR 2012 A energia interna é também associada com as forças intermoleculares entre as moléculas de um sistema Essas forças ligam as moléculas umas às outras e como previsto são mais fortes em sólidos e mais fracas em gases Se energia suficiente for adicionada às moléculas de um sólido ou líquido ela romperá essas forças moleculares e transformará o sistema em gás Tal processo é denominado mudança de fase e por causa dessa energia adicionada o sistema na fase gasosa tem um nível de energia interna maior que na fase sólida ou líquida A energia interna associada com a fase de um sistema é chamada de energia latente ou calor latente ÇENGEL GHAJAR 2012 A energia interna a pressão e a temperatura são propriedades de suma importância Toda substância tem energia interna se há atividade molecular há energia interna POTTER SOMERTON 2017 Energia mecânica Energia mecânica está relacionada à capacidade de determinado corpo gerar trabalho por meio de força A energia mecânica pode ser definida como a forma de energia que pode ser convertida completa e diretamente em trabalho mecânico por um dispositivo mecânico ideal como uma turbina ideal As energias cinéticas e potencial são as formas conhecidas de energia mecânica Entretanto energia térmica não é energia mecânica uma vez que não pode ser convertida direta e completamente em trabalho a segunda lei da termo dinâmica ÇENGEL BOLES 2013 3 Energia e transferência de energia Assim a energia mecânica de um fluido em escoamento pode ser expressa por unidade de massa como Onde Pρ é a energia de pressão V ²2 é a energia cinética e gz é a energia potencial do fluido todas por unidade de massa Energia total Segundo Çengel e Boles 2013 a soma de todas as formas de energia constitui a energia total E de um sistema A energia total de um sistema com base em uma unidade de massa é indicada por e kJkg Ela pode ser expressa como Onde E é a soma das formas de energia do sistema e m é a massa Segundo Çengel e Boles 2013 os efeitos magnéticos elétricos e de tensão superficial são significativos apenas em alguns casos específicos e geralmente ignorados Na falta de tais efeitos a energia total de um sistema consiste nas energias cinética potencial e interna e é expressa como Onde U é a energia interna EC é a energia cinética e EP é a energia potencial Energia e transferência de energia 4 O calor latente citado em energia interna é a quantidade de energia a ser transferida na forma de calor para uma substância mantida sob pressão constante visando à mudança de fase O calor latente de fusão ou vaporização é a quantidade de energia gasta pela massa A variação da energia está relacionada ao calor latente pois quanto maior for maior será a variação da energia resultante da modificação do arranjo molecular do corpo Formas de transferência de energia Transferência de energia por calor O calor é uma forma de energia de determinado corpo e pode ser transferido quando corpos estão em contato um com o outro É definido como a forma de energia que pode ser transferida de um sistema para outro em consequência da diferença de temperatura entre eles A ciência que estuda as taxas de transfe rência do calor é chamada transferência de calor ÇENGEL GHAJAR 2012 Os três mecanismos básicos de transferência de calor são condução convec ção e radiação e discutimos o conceito de condutividade térmica Condução é a transferência de energia resultante da interação de partículas de maior energia de uma substância com partículas adjacentes de menor energia Con vecção é o modo de transferência de calor entre uma superfície sólida e um líquido ou gás adjacente que está em movimento e esse processo envolve os efeitos combinados de condução e movimento do fluido Radiação é a energia emitida pela matéria em forma de ondas eletromagnéticas ou fótons como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas de átomos ou moléculas ÇENGEL GHAJAR 2012 Segundo Çengel e Boles 2013 a transferência de calor kJkg por unidade de massa de um sistema é indicada por q e é determinada por 5 Energia e transferência de energia Transferência de energia por trabalho e formas de trabalho O trabalho assim como o calor é uma interação de energia entre um sistema e sua vizinhança A energia pode atravessar a fronteira de um sistema fechado na forma de calor ou de trabalho Assim se a energia que cruza a fronteira de um sistema fechado não é calor ela deve ser trabalho O calor é fácil de reconhecer sua força motriz é uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança Podemos simplesmente dizer que o trabalho é uma interação de energia que não é causada por uma diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança Mais especificamente o trabalho é a transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância Um pistão em ascensão um eixo em rotação e um fio elétrico que atravessa as fronteiras do sistema estão associados a interações de trabalho ÇENGEL BOLES 2013 Segundo Çengel e Boles 2013 o trabalho realizado por unidade de massa de um sistema é indicado por w kJkg e expresso como A palavra trabalho é tão ampla que é preciso ser muito específico na sua definição técnica Ela precisa incluir por exemplo o trabalho realizado pela expansão dos gases de descarga após a combustão ocorrer no cilindro de um motor automobilístico A energia liberada durante o processo de combustão é transferida para o virabrequim Figura 1 por meio da haste conectora na forma de trabalho Assim o trabalho pode ser considerado uma transferência de energia pela fronteira de um sistema sendo o sistema os gases no cilindro POTTER SOMERTON 2017 O trabalho designado por W costuma ser definido como o produto de uma força pela distância de deslocamento na direção da força Essa é uma definição mecânica de trabalho Uma definição mais geral é a definição termodinâmica trabalho é uma interação entre um sistema e sua vizinhança é realizado por um sistema se o único efeito externo sobre a vizinhança for por exemplo a elevação de um peso A magnitude do trabalho é o produto do peso pela distância que poderia ser erguido POTTER SOMERTON 2017 Energia e transferência de energia 6 Figura 1 Virabrequim Fonte DezayShutterstockcom Primeira lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica também conhecida como princípio da conser vação de energia estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída durante um processo pode apenas mudar de forma Assim toda quantidade de energia deve ser computada durante um processo O princípio da conservação de energia ou balanço de energia para qualquer sistema sofrendo qualquer processo pode ser expresso da seguinte maneira a variação líquida aumento ou diminuição na energia total de um sistema durante um processo é igual à diferença entre a energia total recebida e a energia total rejeitada pelo sistema durante o processo Segundo Çengel e Ghajar 2012 Eent energia total na entrada do sistema Esai energia total na saída do sistema ΔEsistema mudança de energia total no sistema Segundo Çengel e Ghajar 2012 a energia pode ser transferida para ou do sistema por meio de calor trabalho e fluxo de massa a energia total de um sistema simples e compressível é a soma das energias interna cinética e potencial e o balanço de energia para qualquer sistema sofrendo qualquer processo 7 Energia e transferência de energia Em disciplinas de física básica o estudo da conservação de energia enfatiza as mudanças em energia cinética e potencial e sua relação com o trabalho Uma forma mais geral de conservação de energia inclui os efeitos da transferência de calor e as mudanças na energia interna Essa forma mais geral normalmente é chamada de primeira lei da termodinâmica Outras formas de energia como eletrostática magnética tensão e superfície também podem ser incluídas POTTER SOMERTON 2017 Eficiência de conversão de energia Representada pelo símbolo η a eficiência de conservação de energia é a razão entre a saída útil e a entrada da máquina de conversão de energia Ela depende da utilidade da saída Parte do calor ou o completo calor produzido pela queima de um fluido pode ser rejeitado pelo calor residual isso ocorre se o trabalho for a saída almejada em um ciclo termodinâmico Em um conversor de energia acontece a transformação de energia em que a eficiência é considerada um termo técnico ou físico Por meio do link a seguir você pode acessar o vídeo que fala sobre a primeira lei da termodinâmica para melhor entendimento httpsqrgopagelinksc8dT Sobre a conversão de energia o carro converte energia química do fluido e do oxigênio no motor em energia mecânica do movimento do motor A lâmpada converte a energia química para a radiação eletromagnética luz Os moinhos de vento convertem a energia do vento em energia mecânica ao movimentar a turbina e em seguida em energia elétrica Energia e transferência de energia 8 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 ÇENGEL Y A GHAJAR A J Transferência de calor e massa uma abordagem prática 4 ed Porto Alegre AMGH 2012 POTTER M C SOMERTON C W Termodinâmica para engenheiros 3 ed Porto Alegre Bookman 2017 Coleção Schaum Leituras recomendadas ENERGIA cinética S l s n 2017 1 vídeo 3 min Publicado pelo canal Responde aí Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvDpwdATCXoGk Acesso em 28 jun 2019 FÍSICA termologia transferência de calor S l s n 2017 1 vídeo 19 min Publicado pelo canal Aula de Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvjWqS9OpFjuA Acesso em 28 jun 2019 IENO G NEGRO L Termodinâmica São Paulo Pearson 2006 MORAN M J et al Princípios de termodinâmica para engenheiros 7 ed Rio de Janeiro LTC 2013 NETZ P A ORTEGA G G Fundamentos de físicoquímica Porto Alegre Artmed 2014 PRIMEIRA lei da termodinâmica S l s n 2013 1 vídeo 6 min Publicado pelo canal Kuadro Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvJNrvOgn205w Acesso em 28 jun 2019 SEARS F et al Física termodinâmica e ondas 10ed Rio de Janeiro LTC 2002 v 2 WYLEN G V SONNTAG R BORGNAKKE C Fundamentos da termodinâmica clássica 4 ed São Paulo Bluncher 1995 9 Energia e transferência de energia