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Princípios da Termodinâmica

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A termodinâmica estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado num processo físico, que envolve uma massa de gás e o meio externo, ou seja, o meio ambiente.

Primeira Lei da Termodinâmica

Também chamado de primeiro princípio da termodinâmica, essa lei é conhecida como o Princípio da Conservação da Energia. Para todo e qualquer sistema termodinâmico há uma função característica, que é conhecida como energia interna. Sabendo disso podemos enunciar essa primeira lei da seguinte maneira: a variação da energia interna entre dois sistemas pode ser determinada pela diferença entre a quantidade de calor e o trabalho trocado com o meio ambiente. Matematicamente essa lei pode ser escrita da seguinte forma:

ΔU = Q – T

Onde:

  • Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;
  • T é o trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo;
  • ΔU é a variação da energia interna do sistema.

Essa lei tem aplicação prática em três transformações particulares de um gás perfeito. Lembrando que um gás perfeito ou ideal é um modelo idealizado para o comportamento de um gás, o qual obedece às leis de Gay Lussac, lei de Boyle Mariotte e a lei de Charles.

- Transformação Isotérmica

Essa transformação ocorre, como o próprio nome indica, à temperatura constante, de modo que a variação da energia interna do gás é igual a zero, pois a energia interna inicial é igual à energia interna final, ΔU = 0. Dessa forma, fica que a quantidade de calor do sistema é igual ao trabalho realizado pelo mesmo, ou seja, Q = T.

- Transformação Isovolumétrica

Essa é um tipo de transformação de um gás perfeito que ocorre a um volume constante, ou seja, o volume do gás permanece o mesmo durante todo processo termodinâmico. Sendo o volume constante podemos concluir que o trabalho é igual a zero, dessa forma temos que a equação que descreve a primeira lei da termodinâmica fica do seguinte modo:

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ΔU = Q

- Transformação Adiabática

Nessa transformação o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre suficientemente rápido de forma que o calor trocado possa ser considerado desprezível, ou seja, Q = 0. Em uma expansão adiabática o volume do gás aumenta, a pressão diminui e a temperatura diminui. Já na compressão adiabática ocorre que o volume diminui, a pressão e a temperatura aumentam. Essa transformação pode ser percebida nos sprays de desodorante em geral.

Segunda Lei da Termodinâmica

Essa lei foi enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, e estabelece restrições para a conversão de calor em trabalho, realizadas pelas máquinas térmicas. Segundo Carnot, para que ocorra conversão contínua de calor em trabalho, uma máquina térmica deve realizar ciclos contínuos entre a fonte quente e a fonte fria, as quais permanecem em temperaturas constantes. A cada ciclo realizado é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, parte desse calor é convertida em trabalho e a outra parte é rejeitada para a fonte fria. As muitas máquinas que vemos diariamente como, por exemplo, o motor de uma geladeira ou um motor de um veículo automotivo, são máquinas térmicas, pois elas realizam o processo de conversão de calor em trabalho, operando sempre em ciclos como o descrito por Carnot.

 

Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola

Escritor do artigo
Escrito por: Marco Aurélio da Silva Santos Escritor oficial Brasil Escola

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "Princípios da Termodinâmica"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-termodinamica.htm. Acesso em 19 de março de 2024.

De estudante para estudante


Lista de exercícios


Exercício 1

Certa máquina térmica que opera em ciclos recebe, em cada ciclo, 250 cal da fonte quente e realiza um trabalho igual a 1045 J. Sabendo disso, marque a alternativa correta:

DADOS: 1cal = 4,18 J

a) O gás no interior dessa máquina térmica sofre em cada ciclo uma transformação do tipo isocórica, o que explica a transformação integral de energia em trabalho.

b) A máquina funciona segundo o princípio de Carnot, logo, seu rendimento é 100%.

c) A máquina não contraria a primeira lei da Termodinâmica (conservação da energia), pois está transformando integralmente a energia recebida em trabalho, mas contraria a segunda lei da Termodinâmica, pois possui rendimento de 100%.

d) A máquina contraria a primeira lei da Termodinâmica (conservação da energia), pois está transformando integralmente a energia recebida em trabalho, mas não contraria a segunda lei da Termodinâmica, pois possui rendimento de 100%

e) A máquina contraria as duas leis da Termodinâmica, pois transforma integralmente a energia recebida em trabalho.

Exercício 2

Determine o calor recebido da fonte quente e perdido para a fonte fria por um motor a diesel que possui rendimento de 40% e realiza a cada ciclo um trabalho de 2000 J. Expresse as respostas em calorias.

DADOS: 1 cal = 4 J

a) 1300 cal e 550 cal

b) 1250 cal e 1000 cal

c) 750 cal e 200 cal

d) 1250 cal e 750 cal

e) 3000 cal e 5000 cal.