Livro 2 – Revisão Capítulo 9 –
Máquinas Térmicas – pg 264
Professora Fernanda
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Variação da Energia Interna
Q = W + ∆U
Gás
Expansão nula
W=0
ΔU=Q
ΔT = 0 → ΔU = 0
ΔT > 0 → ΔU > 0
ΔT < 0 → ΔU < 0
ΔU depende apenas
de ΔT.
Como U é uma
variável de
estado, ΔU não
depende do
processo.
A energia interna de um gás é função apenas
da temperatura absoluta T. Ela está vinculada a
dimensão microscópica. Dependerá da sua
energia cinética.
Trabalho realizado por um gás pode ser
encontrado por....
∆U = Q - W
W = P.ΔV
∆V = V2 -V1
Ou....
• Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo:
Qual o trabalho realizado por este gás?
O trabalho realizado pelo gás é igual a área sob a curva
do gráfico, ou seja a área do trapézio azul.
Resposta: W = τ = 9 x 105 J
EXERCÍCIO 10 – Aplicação 1ª Lei da Termodinâmica - Livro 2 – Revisão
Capítulo 9 – Máquinas Térmicas – pg 299
10 )
Q = 100J (recebe/ positivo)
W = 70J (expande /positivo)
ΔU = ?
Q = ΔU + W
100 = ΔU + 70
ΔU = 30 J
letra c
Aplicação 1ª Lei da Termodinâmica – Exercício extraído do site
www.fisicaevestibular.com
• (UFU-MG) Num dado recipiente contendo um líquido, é imerso um cilindro contendo gás ideal, confinado por um êmbolo
móvel, conforme as figuras adiante.
O recipiente está sobre uma fonte térmica e a base do recipiente é diatérmica, permitindo trocas de calor entre a fonte e o
recipiente. As demais paredes do recipiente são adiabáticas e as paredes do cilindro que contém o gás são diatérmicas.
A fonte térmica fornece 2000 J para o sistema formado pelo líquido e o gás, conforme figura (I) acima. Devido ao calor fornecido
pela fonte térmica, a temperatura do líquido aumenta de 3K, consumindo 1500 J. Por outro lado, o gás realiza uma expansão com
um aumento de volume de 8 m3, a uma pressão constante de 50 N/m2, como representado na figura (II) acima.
a) Calcule o trabalho realizado pelo gás.
b) Calcule a variação da energia interna do gás.
c) Nesse processo, o que acontece com a energia cinética das partículas que compõem o gás: aumenta, diminui ou não muda?
Justifique a sua resposta.
Resolução
a) W=P.ΔV=50.8 = 400J
b) ΔU=Qgás – W
ΔU=(2.000 – 1.500) – 400
ΔU=500 – 400
ΔU=100J
c) aumenta, pois o gás teve aumento de temperatura T = 3k,
devido ao aumento de energia interna.
Segunda lei da termodinâmica
Imagem: Emoscopes / GNU Free Documentation License.
Os fenômenos naturais são irreversíveis porque o calor gerado por eles nunca pode ser
inteiramente reaproveitado em outra forma de energia.
Aplicando esta regra ao funcionamento das máquinas térmicas, temos que...
Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode retirar
calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em
trabalho.
Então, numa máquina térmica, o calor retirado de uma fonte
quente (Qq) será transformado, parte dele em trabalho (W) e
o restante rejeitado numa fonte fria (Qf).
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Segunda lei da termodinâmica
Como você pode observar, o calor rejeitado na fonte fria não pode ser mais aproveitado na
máquina em outro ciclo. Esta energia torna-se indisponível.
O físico Ludwig Eduard Boltzmann, em sua análise estatística da
termodinâmica, afirmou que esta energia indisponível tende aumentar a
desordem do sistema termodinâmico, dando a 2ª lei um novo enunciado:
Em qualquer sistema físico, a tendência natural é o aumento da
desordem; o restabelecimento da ordem só é possível mediante o
dispêndio (gasto) de energia.
Imagem: Autor desconhecido / Public Domain
A tendência à desordem pode ser medida pela Entropia. Logo, quanto maior a desordem num
sistema termodinâmico, maior sua Entropia.
Assim, podemos afirmar que:
Em todo processo natural espontâneo, a entropia do
Universo sempre aumenta.
Resumo da teoria
• Uma compressão rápida é adiabática (não troca calor com o
ambiente)
• Numa compressão o volume diminui e o W é negativo
• O ciclo de Carnot tem duas transformações isotérmicas e duas
adiabáticas.
P
1
T = cte
2
Q=0
Q=0
4
T = cte
3
V
O Ciclo de Carnot
1→2: Expansão isotérmica: O calor é fornecido por um reservatório de alta
temperatura a uma temperatura constante. O pistão no cilindro é movido e o
volume aumenta.
2→3: Expansão adiabática reversível: O cilindro é completamente isolado, de modo
que nenhuma transmissão de calor ocorra durante esse processo reversível.
O pistão continua a ser movido com o volume aumentando.
3→4: Compressão Isotérmica: O calor é rejeitado pelo fluido de maneira reversível
para um reservatório de temperatura baixa a uma temperatura constante . O
pistão comprime o fluido com diminuição do volume.
4→1: Compressão adiabática reversível: O cilindro é completamente
isolado, não permitindo nenhuma transmissão de calor durante
esse processo reversível. O pistão continua a comprimir o fluido
até este atinja o volume, a temperatura e a pressão originais,
completando assim, o ciclo.
Continuando com o resumo da teoria
• O rendimento de uma máquina térmica depende da temperatura da
fonte quente e fonte fria.
• No refrigerador o gás remove calor da fonte fria, evaporando-se, e
transfere calor à fonte quente, condensando-se.
• A entropia do Universo sempre aumenta.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Segunda lei da termodinâmica
Se o rendimento de uma máquina é definido pelo percentual de calor
transformado em trabalho (τ)...
τ
η
100
Qq
Qf
η  1
Qq
Tf
η  1
Tq
Como não pode existir calor totalmente convertido em trabalho, a segunda lei proíbe a
existência de uma máquina térmica com eficiência de 100%.
Exemplo:
Qual o rendimento de uma máquina térmica que retira de uma fonte quente 200 cal e passa para uma fonte fria 50 cal.
Sabemos que:
h = 1 - Q2 / Q1
Logo,
h = 1 – 50 / 200  h = 1 – 0,25 = 0,75 = 75%