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A Termodinâmica estuda os efeitos e as relações entre variações de temperatura, pressão, volume e outras grandezas termodinâmicas em sistemas físicos em escala macroscópica. Nesta página, aprenderemos vários conceitos relacionados a esse ramo da Física.
A Termodinâmica estuda os efeitos e as relações entre variações de temperatura, pressão, volume e outras grandezas termodinâmicas em sistemas físicos em escala macroscópica. Nesta página, aprenderemos vários conceitos relacionados a esse ramo da Física.
Sistema
Sistema
Nas ciências, o termo sistema é usado para designar um corpo ou conjunto de corpos que serão analisados. Em um sistema, elaboramos hipóteses, realizamos observações e conduzimos experimentos para testar essas hipóteses e teorias.
Nas ciências, o termo sistema é usado para designar um corpo ou conjunto de corpos que serão analisados. Em um sistema, elaboramos hipóteses, realizamos observações e conduzimos experimentos para testar essas hipóteses e teorias.
Gás ideal
Gás ideal
m um gás ideal, analisamos as variáveis temperatura (relacionada à energia cinética média das partículas do gás), volume (espaço ocupado pelo gás) e pressão (força exercida pelas colisões das partículas entre si e com as paredes do recipiente).
m um gás ideal, analisamos as variáveis temperatura (relacionada à energia cinética média das partículas do gás), volume (espaço ocupado pelo gás) e pressão (força exercida pelas colisões das partículas entre si e com as paredes do recipiente).
Transformação isobárica
Transformação isobárica
A pressão é constante
A pressão é constante
Transformação isotérmica
Transformação isotérmica
A temperatura é constante
A temperatura é constante
Transformação isocórica
Transformação isocórica
Volume constante, também chamada de isométrica ou isovolumétrica
Volume constante, também chamada de isométrica ou isovolumétrica
Transformação adiabática
Transformação adiabática
Neste tipo de transformação, o gás não troca energia na forma de calor com o meio externo; toda a variação de energia interna ocorre devido ao trabalho realizado pelo ou sobre o gás.
Neste tipo de transformação, o gás não troca energia na forma de calor com o meio externo; toda a variação de energia interna ocorre devido ao trabalho realizado pelo ou sobre o gás.
Lei geral dos gases ideais
Lei geral dos gases ideais
Esta lei relaciona a pressão, o volume e a temperatura de um gás entre os estados inicial e final, mostrando como essas variáveis mudam quando o gás passa de um estado para outro.
Esta lei relaciona a pressão, o volume e a temperatura de um gás entre os estados inicial e final, mostrando como essas variáveis mudam quando o gás passa de um estado para outro.
Experiência de Joule
Experiência de Joule
O físico inglês James Joule, em 1845, realizou um experimento no qual pesos faziam girar pás dentro de um calorímetro (recipiente que impede a troca de calor entre o meio interno e o externo). Assim, a energia potencial gravitacional era transformada em energia cinética e, posteriormente, em energia térmica, demonstrando a equivalência entre trabalho mecânico e calor.
O físico inglês James Joule, em 1845, realizou um experimento no qual pesos faziam girar pás dentro de um calorímetro (recipiente que impede a troca de calor entre o meio interno e o externo). Assim, a energia potencial gravitacional era transformada em energia cinética e, posteriormente, em energia térmica, demonstrando a equivalência entre trabalho mecânico e calor.
Joule e caloria
Joule e caloria
Através de seu experimento, Joule determinou o equivalente mecânico do calor. Assim, concluiu que 1 caloria (1 cal) equivale a aproximadamente 4,186 joules (J).
Através de seu experimento, Joule determinou o equivalente mecânico do calor. Assim, concluiu que 1 caloria (1 cal) equivale a aproximadamente 4,186 joules (J).
Trabalho realizado por um gás
Trabalho realizado por um gás
O trabalho realizado por um gás ao sofrer uma variação de volume, sob pressão constante, é calculado por:
O trabalho realizado por um gás ao sofrer uma variação de volume, sob pressão constante, é calculado por:
Expansão isobárica
Expansão isobárica
Se o volume do gás aumenta, ou seja, 𝑉𝑓 é maior que V𝑖, a variação de volume e o trabalho realizados são positivos. Portanto, o gás realiza trabalho sobre o meio externo.
Se o volume do gás aumenta, ou seja, 𝑉𝑓 é maior que V𝑖, a variação de volume e o trabalho realizados são positivos. Portanto, o gás realiza trabalho sobre o meio externo.
Contração isobárica
Contração isobárica
Se o volume do gás diminui, ou seja, 𝑉f é menor que 𝑉𝑖, a variação de volume e o trabalho são negativos. Portanto, o meio realiza trabalho sobre o gás.
Se o volume do gás diminui, ou seja, 𝑉f é menor que 𝑉𝑖, a variação de volume e o trabalho são negativos. Portanto, o meio realiza trabalho sobre o gás.
Variação da energia interna de um gás
Variação da energia interna de um gás
A energia interna (U) de um sistema está relacionada à soma das energias das suas partículas. Se o valor final Uf for maior que o inicial Ui, a temperatura aumenta. Se Uf for menor que Ui, a temperatura diminui. Em uma transformação isotérmica, não ocorre variação da energia interna.
A energia interna (U) de um sistema está relacionada à soma das energias das suas partículas. Se o valor final Uf for maior que o inicial Ui, a temperatura aumenta. Se Uf for menor que Ui, a temperatura diminui. Em uma transformação isotérmica, não ocorre variação da energia interna.
Exercícios sobre o conteúdo
Exercícios sobre o conteúdo
As respostas dos exercícios e outras informações encontram-se ao final da lista de exercícios, em formato de vídeo.
As respostas dos exercícios e outras informações encontram-se ao final da lista de exercícios, em formato de vídeo.
Aula 1 sobre trabalho na Termodinâmica
Aula 1 sobre trabalho na Termodinâmica
Aula 2 sobre trabalho na Termodinâmica
Aula 2 sobre trabalho na Termodinâmica
Aula 3 sobre trabalho na Termodinâmica
Aula 3 sobre trabalho na Termodinâmica
Fonte das imagens:
Foto de capa: https://pt.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%B3ria_da_termodin%C3%A2mica
Sistema termodinâmico: https://www.todamateria.com.br/termodinamica/
Gás ideal: https://slideplayer.com.br/slide/2736040/
Transformação isobárica: https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Charles
Transformação isotérmica: http://webfisica.com/fisica/curso-de-fisica-basica/aula6.45/
Transformação isovolumétrica: http://webfisica.com/fisica/curso-de-fisica-basica/aula6.45/
Transformação adiabática: https://www.nealandwolf.com/products/guard-heat-protection-spray-150ml
Lei geral dos gases ideais: https://blog.maxieduca.com.br/gases-e-suas-aplicacoes/
Experimento de Joule: https://makeagif.com/gif/calor-e-temperatura-I4lwqn
Joule e caloria: https://brasilescola.uol.com.br/saude-na-escola/calorias-ou-quilocalorias.htm
Trabalho realizado por um gás: https://fisicaevestibular.com.br/novo/fisica-termica/termodinamica/trabalho-de-um-gas-transformacao-ciclica/
Variação da energia interna: https://professordiminoi.comunidades.net/termoligia
Primeira Lei da Termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica
Quantidade de calor
Quantidade de calor
Já aprendemos em nossa aula sobre a quantidade de calor que calculamos a quantidade de calor sensível (quando existe a mudança de temperatura) e também a quantidade de calor latente (quando existe a mudança de estado físico).
Já aprendemos em nossa aula sobre a quantidade de calor que calculamos a quantidade de calor sensível (quando existe a mudança de temperatura) e também a quantidade de calor latente (quando existe a mudança de estado físico).
Transformações gasosas
Transformações gasosas
Se o sistema recebe calor do meio externo, a quantidade de calor é positiva (Q > 0).
Se o sistema recebe calor do meio externo, a quantidade de calor é positiva (Q > 0).
- Se o sistema cede calor para o meio externo, a quantidade de calor é negativa (Q < 0).
- Se o sistema cede calor para o meio externo, a quantidade de calor é negativa (Q < 0).
- Se o sistema não troca calor com o meio externo, a quantidade de calor é igual a zero (Q = 0), ocorrendo a transformação adiabática.
- Se o sistema não troca calor com o meio externo, a quantidade de calor é igual a zero (Q = 0), ocorrendo a transformação adiabática.
O primeiro princípio da Termodinâmica, ou primeira lei da Termodinâmica, estabelece que a quantidade de calor fornecida a um sistema é igual à soma do trabalho realizado pelo sistema e da variação da sua energia interna. Também podemos entender que a variação da energia interna é igual à diferença entre a quantidade de calor fornecida ao sistema e o trabalho que ele realiza.
O primeiro princípio da Termodinâmica, ou primeira lei da Termodinâmica, estabelece que a quantidade de calor fornecida a um sistema é igual à soma do trabalho realizado pelo sistema e da variação da sua energia interna. Também podemos entender que a variação da energia interna é igual à diferença entre a quantidade de calor fornecida ao sistema e o trabalho que ele realiza.
Calor, trabalho e variação da energia interna
Calor, trabalho e variação da energia interna
Exercícios sobre a primeira lei da Termodinâmica.
Exercícios sobre a primeira lei da Termodinâmica.
As resoluções dos exercícios estão disponíveis nos vídeos das aulas, localizados abaixo da lista de exercícios.
As resoluções dos exercícios estão disponíveis nos vídeos das aulas, localizados abaixo da lista de exercícios.
Aula 1 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Aula 1 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Veja nesta primeira aula sobre o conteúdo e a resolução de exercícios acima.
Aula 2 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Aula 2 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Veja nesta segunda aula sobre o conteúdo e a resolução de exercícios acima.
Aula 3 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Aula 3 sobre a primeira lei da Termodinâmica
Veja nesta terceira aula sobre o conteúdo e a resolução de exercícios acima.
Fonte das figuras sobre a primeira lei da Termodinâmica. Clique nos links e aprofunde os conteúdos.
Fonte das figuras sobre a primeira lei da Termodinâmica. Clique nos links e aprofunde os conteúdos.
Calor, trabalho e variação da energia interna: https://blog.biologiatotal.com.br/leis-da-termodinamica/
Calor, trabalho e variação da energia interna: https://blog.biologiatotal.com.br/leis-da-termodinamica/
Efeitos da Termodinâmica no cotidiano
Efeitos da Termodinâmica no cotidiano
Bomba de bicicleta
Bomba de bicicleta
Ao encher o pneu de bicicleta com uma bomba, aplicamos uma força que realiza trabalho sobre o gás, comprimindo-o. A energia fornecida pelo trabalho aumenta a energia interna do gás, elevando sua temperatura. Como o bombeamento é feito rapidamente, o gás não tem tempo para perder calor para o ambiente, caracterizando uma transformação adiabática. Ao repetir o processo várias vezes, percebemos o aquecimento do gás na bomba.
Ao encher o pneu de bicicleta com uma bomba, aplicamos uma força que realiza trabalho sobre o gás, comprimindo-o. A energia fornecida pelo trabalho aumenta a energia interna do gás, elevando sua temperatura. Como o bombeamento é feito rapidamente, o gás não tem tempo para perder calor para o ambiente, caracterizando uma transformação adiabática. Ao repetir o processo várias vezes, percebemos o aquecimento do gás na bomba.
Desodorante aerossol
Desodorante aerossol
Quando um gás comprimido dentro de um tubo de aerossol se expande, como por exemplo no tubo de desodorante, ele exerce uma força sobre o ar atmosférico. O gás utiliza sua energia interna para realizar trabalho sobre o meio, o que provoca uma diminuição dessa energia e, consequentemente, a redução da sua temperatura.
Quando um gás comprimido dentro de um tubo de aerossol se expande, como por exemplo no tubo de desodorante, ele exerce uma força sobre o ar atmosférico. O gás utiliza sua energia interna para realizar trabalho sobre o meio, o que provoca uma diminuição dessa energia e, consequentemente, a redução da sua temperatura.
Temperatura no litoral e em grandes altitudes
Temperatura no litoral e em grandes altitudes
No litoral, o ar aquece e se expande, fazendo com que sua densidade diminua e ele suba em direção às montanhas, formando correntes de convecção. Ao sair de uma região de maior pressão (litoral) e chegar a uma região de menor pressão (nas montanhas), o ar se expande e sua temperatura diminui.
No litoral, o ar aquece e se expande, fazendo com que sua densidade diminua e ele suba em direção às montanhas, formando correntes de convecção. Ao sair de uma região de maior pressão (litoral) e chegar a uma região de menor pressão (nas montanhas), o ar se expande e sua temperatura diminui.
Lei geral dos gases ideais
Lei geral dos gases ideais
Nesta lei, relacionamos a pressão, o volume e a temperatura iniciais com a pressão, o volume e a temperatura finais de um sistema. É importante observar que o volume pode ser expresso em decímetros cúbicos (dm³) ou litros (L), sendo que 1 m³=10³ L. A pressão pode ser dada em newtons por metro quadrado (N/m²), pascal (Pa) ou milímetros de mercúrio (mmHg). Assim,
Nesta lei, relacionamos a pressão, o volume e a temperatura iniciais com a pressão, o volume e a temperatura finais de um sistema. É importante observar que o volume pode ser expresso em decímetros cúbicos (dm³) ou litros (L), sendo que 1 m³=10³ L. A pressão pode ser dada em newtons por metro quadrado (N/m²), pascal (Pa) ou milímetros de mercúrio (mmHg). Assim,
1 atm=760 mmHg=10^5 Pa=10^5 N/m².
1 atm=760 mmHg=10^5 Pa=10^5 N/m².
A temperatura deve ser expressa em kelvin (K) (que é igual à temperatura em Celsius + 273).
A temperatura deve ser expressa em kelvin (K) (que é igual à temperatura em Celsius + 273).
Equação de Clapeyron
Equação de Clapeyron
Esta equação relaciona a pressão, o volume, o número de mols e a temperatura de um gás ideal. Precisamos observar a constante universal dos gases perfeitos (R), que pode ser 0,082 atm.l/mol.K, ou 8,31 J/mol.K ou 2 cal/mol.K. Dependendo o valor atribuído para R, precisamos converter as outras grandezas. Por exemplo, se R tem como unidade atm, a pressão deve estar em atm e assim por diante. Não esqueça que o número de mols é a massa comum dividida pela massa molar.
Esta equação relaciona a pressão, o volume, o número de mols e a temperatura de um gás ideal. Precisamos observar a constante universal dos gases perfeitos (R), que pode ser 0,082 atm.l/mol.K, ou 8,31 J/mol.K ou 2 cal/mol.K. Dependendo o valor atribuído para R, precisamos converter as outras grandezas. Por exemplo, se R tem como unidade atm, a pressão deve estar em atm e assim por diante. Não esqueça que o número de mols é a massa comum dividida pela massa molar.
Exercícios sobre os gases perfeitos.
Exercícios sobre os gases perfeitos.
As respostas estão disponíveis nos vídeos das aulas, localizados abaixo da lista de exercícios.
As respostas estão disponíveis nos vídeos das aulas, localizados abaixo da lista de exercícios.
Aula 1 - Gases ideais
Aula 1 - Gases ideais
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Aula 2 - Gases ideais
Aula 2 - Gases ideais
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Aula 3 - Gases ideais
Aula 3 - Gases ideais
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Nesta aula, você vai aprender sobre os gases ideais e conferir as resoluções dos exercícios da lista acima.
Fonte das figuras:
Fonte das figuras:
Spray de desodorante: https://www.almanaquesos.com/10-receitas-de-desodorante-natural-para-fazer-em-casa/
Spray de desodorante: https://www.almanaquesos.com/10-receitas-de-desodorante-natural-para-fazer-em-casa/
Temperatura no litoral e montanhas:
Temperatura no litoral e montanhas:
Equação de Clapeyron: https://chemicalwedding.wordpress.com/2011/04/22/equacao-de-clapeyron-e-volume-molar/
Equação de Clapeyron: https://chemicalwedding.wordpress.com/2011/04/22/equacao-de-clapeyron-e-volume-molar/
Máquinas térmicas
Máquinas térmicas
Como vimos em nossos estudos sobre Termodinâmica, o trabalho pode ser usado para movimentar gases, possibilitando trocas de calor. Imagine a utilização do trabalho em máquinas que movimentam gases ou líquidos para beneficiar a humanidade. As máquinas térmicas realizam trocas de calor entre uma fonte quente e uma fonte fria, transformando parte desse calor em trabalho mecânico.
Como vimos em nossos estudos sobre Termodinâmica, o trabalho pode ser usado para movimentar gases, possibilitando trocas de calor. Imagine a utilização do trabalho em máquinas que movimentam gases ou líquidos para beneficiar a humanidade. As máquinas térmicas realizam trocas de calor entre uma fonte quente e uma fonte fria, transformando parte desse calor em trabalho mecânico.
Calor como energia
Calor como energia
O calor passou a ser entendido como uma forma de energia quando, em 1798, Benjamin Thompson — Conde de Rumford — ao estudar a fabricação de canhões, percebeu que a perfuração das peças causava aumento de temperatura no material perfurado, e que esse aumento só poderia vir da energia mecânica das brocas.
O calor passou a ser entendido como uma forma de energia quando, em 1798, Benjamin Thompson — Conde de Rumford — ao estudar a fabricação de canhões, percebeu que a perfuração das peças causava aumento de temperatura no material perfurado, e que esse aumento só poderia vir da energia mecânica das brocas.
Mais tarde, por volta de 1840, Julius Robert Mayer e James Prescott Joule estabeleceram a equivalência entre calor e energia mecânica. As experiências realizadas por Joule, naquela época, consolidaram definitivamente que o calor é uma forma de energia.
Mais tarde, por volta de 1840, Julius Robert Mayer e James Prescott Joule estabeleceram a equivalência entre calor e energia mecânica. As experiências realizadas por Joule, naquela época, consolidaram definitivamente que o calor é uma forma de energia.
Experiência de Heron
Experiência de Heron
Embora o calor tenha sido definitivamente concebido como forma de energia apenas no século XIX, desde a Antiguidade ele já era utilizado para produzir vapor capaz de realizar trabalho mecânico. No século I d.C., Heron de Alexandria construiu um dispositivo, como o representado na figura ao lado, que utilizava o vapor gerado pelo aquecimento da água para colocar uma esfera de metal em rotação ao escapar pelos orifícios curvados da esfera.
Embora o calor tenha sido definitivamente concebido como forma de energia apenas no século XIX, desde a Antiguidade ele já era utilizado para produzir vapor capaz de realizar trabalho mecânico. No século I d.C., Heron de Alexandria construiu um dispositivo, como o representado na figura ao lado, que utilizava o vapor gerado pelo aquecimento da água para colocar uma esfera de metal em rotação ao escapar pelos orifícios curvados da esfera.
O dispositivo é constituído por uma esfera oca com tubos curvados por onde o vapor é expelido, uma bacia com água e uma fonte de calor. A água é aquecida na bacia, que está ligada à esfera giratória por um par de tubos que também servem como eixo da esfera. O vapor sai pelos furos com a mesma pressão, e a força que move a esfera resulta da pressão do vapor que escapa pelos tubos.
O dispositivo é constituído por uma esfera oca com tubos curvados por onde o vapor é expelido, uma bacia com água e uma fonte de calor. A água é aquecida na bacia, que está ligada à esfera giratória por um par de tubos que também servem como eixo da esfera. O vapor sai pelos furos com a mesma pressão, e a força que move a esfera resulta da pressão do vapor que escapa pelos tubos.
Atualmente, sabemos que esse aparelho projetado por Heron é um modelo primitivo de máquina térmica, pois transforma calor em trabalho mecânico.
Atualmente, sabemos que esse aparelho projetado por Heron é um modelo primitivo de máquina térmica, pois transforma calor em trabalho mecânico.
Máquinas térmicas - Evolução, usos e sociedade
Máquinas térmicas - Evolução, usos e sociedade
A partir do século XVIII, inicia-se a utilização das primeiras máquinas térmicas em escala industrial, mas essas ainda apresentavam rendimentos muito baixos, pois consumiam grande quantidade de combustível para produzir pouco trabalho.
A partir do século XVIII, inicia-se a utilização das primeiras máquinas térmicas em escala industrial, mas essas ainda apresentavam rendimentos muito baixos, pois consumiam grande quantidade de combustível para produzir pouco trabalho.
Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt (1736–1819) apresentou um modelo mais eficiente de máquina térmica que utilizava vapor proveniente de uma caldeira onde a água era aquecida. Esse modelo apresentava vantagens significativas e, por isso, substituiu os modelos anteriores.
Por volta de 1770, o inventor escocês James Watt (1736–1819) apresentou um modelo mais eficiente de máquina térmica que utilizava vapor proveniente de uma caldeira onde a água era aquecida. Esse modelo apresentava vantagens significativas e, por isso, substituiu os modelos anteriores.
A máquina de Watt foi inicialmente empregada para movimentar moinhos e, posteriormente, em locomotivas e barcos a vapor.
A máquina de Watt foi inicialmente empregada para movimentar moinhos e, posteriormente, em locomotivas e barcos a vapor.
Na Primeira Revolução Industrial, iniciada na Inglaterra no século XVIII, a utilização da máquina a vapor permitiu a automatização do processo produtivo, que passou do método artesanal para a produção mecanizada. Isso transformou completamente o modo de vida das pessoas.
Na Primeira Revolução Industrial, iniciada na Inglaterra no século XVIII, a utilização da máquina a vapor permitiu a automatização do processo produtivo, que passou do método artesanal para a produção mecanizada. Isso transformou completamente o modo de vida das pessoas.
Foi uma verdadeira revolução social, já que essas máquinas substituíram a força de trabalho majoritariamente feminina e infantil nas fábricas têxteis inglesas.
Foi uma verdadeira revolução social, já que essas máquinas substituíram a força de trabalho majoritariamente feminina e infantil nas fábricas têxteis inglesas.
Os modelos de máquinas térmicas a vapor são pouco utilizados atualmente, mas a energia térmica do vapor continua sendo empregada nas usinas termelétricas para movimentar turbinas.
Os modelos de máquinas térmicas a vapor são pouco utilizados atualmente, mas a energia térmica do vapor continua sendo empregada nas usinas termelétricas para movimentar turbinas.
Além disso, no decorrer do século XX, outros tipos de máquinas térmicas foram desenvolvidos, como o motor de combustão interna, que utiliza gasolina como combustível e é fundamental para o funcionamento dos automóveis.
Além disso, no decorrer do século XX, outros tipos de máquinas térmicas foram desenvolvidos, como o motor de combustão interna, que utiliza gasolina como combustível e é fundamental para o funcionamento dos automóveis.
Rendimento de uma máquina térmica
Rendimento de uma máquina térmica
Ao analisar o funcionamento das máquinas térmicas, verificamos que todas operam em ciclos, ou seja, retornam periodicamente à condição inicial. A cada ciclo, a máquina retira calor de uma fonte chamada fonte quente, utiliza parte desse calor para realizar trabalho e rejeita o restante para uma fonte fria.
Ao analisar o funcionamento das máquinas térmicas, verificamos que todas operam em ciclos, ou seja, retornam periodicamente à condição inicial. A cada ciclo, a máquina retira calor de uma fonte chamada fonte quente, utiliza parte desse calor para realizar trabalho e rejeita o restante para uma fonte fria.
Uma fonte quente na parte superior,(Q1); no centro, a máquina térmica; a parte inferior representa a fonte fria (Q2). As setas indicam o sentido do fluxo de calor. A máquina térmica ideal seria aquela que conseguisse converter totalmente o calor retirado da fonte quente em trabalho realizado. Uma máquina assim teria 100% de rendimento e eficiência. No entanto, cientistas perceberam que é impossível construir uma máquina que apresente um rendimento de 100%.
Uma fonte quente na parte superior,(Q1); no centro, a máquina térmica; a parte inferior representa a fonte fria (Q2). As setas indicam o sentido do fluxo de calor. A máquina térmica ideal seria aquela que conseguisse converter totalmente o calor retirado da fonte quente em trabalho realizado. Uma máquina assim teria 100% de rendimento e eficiência. No entanto, cientistas perceberam que é impossível construir uma máquina que apresente um rendimento de 100%.
Cálculo do rendimento de uma máquina térmica
Cálculo do rendimento de uma máquina térmica
Denomina-se rendimento R de uma máquina térmica a relação entre o trabalho τ realizado em cada ciclo e o calor Q1, absorvido da fonte quente, em cada ciclo. Logo, para determinada quantidade de calor absorvido, quanto maior for o trabalho realizado, maior será o rendimento, ou eficiência, dessa máquina térmica!
Denomina-se rendimento R de uma máquina térmica a relação entre o trabalho τ realizado em cada ciclo e o calor Q1, absorvido da fonte quente, em cada ciclo. Logo, para determinada quantidade de calor absorvido, quanto maior for o trabalho realizado, maior será o rendimento, ou eficiência, dessa máquina térmica!
Máquinas térmicas e a conservação da energia
Máquinas térmicas e a conservação da energia
O Princípio da Conservação da Energia aplica-se ao funcionamento das máquinas térmicas e, devido a esse Princípio, teremos que Q1 = τ + Q2, ou τ = Q1 - Q2. Desse modo, o rendimento de uma máquina térmica também pode ser calculado por outras equações. Em nosso exemplo, T é o trabalho, Q1 é o calor absorvido da fonte quente e Q2 é o calor cedido à fonte fria. Alguns livros e outras fontes atribuem outras denominações a estes dados, como Qq e Qf para o calor nas fontes quente e fria, por exemplo.
O Princípio da Conservação da Energia aplica-se ao funcionamento das máquinas térmicas e, devido a esse Princípio, teremos que Q1 = τ + Q2, ou τ = Q1 - Q2. Desse modo, o rendimento de uma máquina térmica também pode ser calculado por outras equações. Em nosso exemplo, T é o trabalho, Q1 é o calor absorvido da fonte quente e Q2 é o calor cedido à fonte fria. Alguns livros e outras fontes atribuem outras denominações a estes dados, como Qq e Qf para o calor nas fontes quente e fria, por exemplo.
Segunda lei da termodinâmica
Segunda lei da termodinâmica
O funcionamento de uma máquina térmica ocorre em ciclos: ela começa um processo, passa por várias transformações e, ao final, retorna ao estado inicial. Em cada ciclo, a máquina retira calor da fonte quente, converte uma parte desse calor em trabalho útil e rejeita o restante para uma fonte fria.
O funcionamento de uma máquina térmica ocorre em ciclos: ela começa um processo, passa por várias transformações e, ao final, retorna ao estado inicial. Em cada ciclo, a máquina retira calor da fonte quente, converte uma parte desse calor em trabalho útil e rejeita o restante para uma fonte fria.
Você já imaginou se fosse possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho? Seria uma máquina perfeita, com 100% de rendimento! Porém, a natureza tem suas regras — e uma delas é a Segunda Lei da Termodinâmica.
Você já imaginou se fosse possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho? Seria uma máquina perfeita, com 100% de rendimento! Porém, a natureza tem suas regras — e uma delas é a Segunda Lei da Termodinâmica.
Essa lei fundamental nos diz que nenhum dispositivo, por mais avançado que seja, pode converter integralmente o calor absorvido em trabalho. Sempre haverá uma parcela de calor que precisa ser “devolvida” à fonte fria para que o ciclo se complete.
Essa lei fundamental nos diz que nenhum dispositivo, por mais avançado que seja, pode converter integralmente o calor absorvido em trabalho. Sempre haverá uma parcela de calor que precisa ser “devolvida” à fonte fria para que o ciclo se complete.
Ou seja, é impossível construir uma máquina térmica com rendimento total de 100%. Na prática, o rendimento das máquinas térmicas que usamos hoje está bem longe desse ideal. Por exemplo, as antigas locomotivas a vapor — carinhosamente chamadas de “Maria Fumaça” — alcançam rendimento em torno de apenas 10%. Já os modernos motores a diesel chegam a algo próximo de 40%.
Ou seja, é impossível construir uma máquina térmica com rendimento total de 100%. Na prática, o rendimento das máquinas térmicas que usamos hoje está bem longe desse ideal. Por exemplo, as antigas locomotivas a vapor — carinhosamente chamadas de “Maria Fumaça” — alcançam rendimento em torno de apenas 10%. Já os modernos motores a diesel chegam a algo próximo de 40%.
Essa limitação natural nos lembra da importância de buscar sempre melhorias tecnológicas, mas também da humildade diante das leis que governam nosso universo.
Essa limitação natural nos lembra da importância de buscar sempre melhorias tecnológicas, mas também da humildade diante das leis que governam nosso universo.
Máquina de Carnot
Máquina de Carnot
Ao longo da história, muitos cientistas dedicaram-se a desenvolver máquinas térmicas cada vez mais eficientes. Entre eles, destacou-se o engenheiro francês Sadi Carnot, que apresentou um modelo ideal capaz de operar com o máximo rendimento possível. Esse modelo revolucionário ficou conhecido como a Máquina de Carnot.
Ao longo da história, muitos cientistas dedicaram-se a desenvolver máquinas térmicas cada vez mais eficientes. Entre eles, destacou-se o engenheiro francês Sadi Carnot, que apresentou um modelo ideal capaz de operar com o máximo rendimento possível. Esse modelo revolucionário ficou conhecido como a Máquina de Carnot.
A figura a seguir ilustra o Ciclo de Carnot aplicado a um sistema formado por um cilindro com gás ideal. Esse ciclo representa o limite máximo de eficiência que qualquer máquina térmica pode alcançar ao operar entre duas fontes de calor.
A figura a seguir ilustra o Ciclo de Carnot aplicado a um sistema formado por um cilindro com gás ideal. Esse ciclo representa o limite máximo de eficiência que qualquer máquina térmica pode alcançar ao operar entre duas fontes de calor.
O ciclo consiste em quatro etapas: duas transformações isotérmicas, nas quais a temperatura permanece constante, alternadas com duas transformações adiabáticas, onde não há troca de calor com o ambiente.
O ciclo consiste em quatro etapas: duas transformações isotérmicas, nas quais a temperatura permanece constante, alternadas com duas transformações adiabáticas, onde não há troca de calor com o ambiente.
Na transformação isotérmica AB, o gás absorve calor da fonte quente enquanto se expande.
Na transformação isotérmica AB, o gás absorve calor da fonte quente enquanto se expande.
Em BC, o sistema não troca calor com o ambiente, e a temperatura do gás diminui — essa é uma expansão adiabática.
Em BC, o sistema não troca calor com o ambiente, e a temperatura do gás diminui — essa é uma expansão adiabática.
Durante a etapa CD, o gás é comprimido isotermicamente, cedendo calor para a fonte fria.
Durante a etapa CD, o gás é comprimido isotermicamente, cedendo calor para a fonte fria.
Por fim, na transformação DA, ocorre uma compressão adiabática, que faz a temperatura do gás aumentar novamente.
Por fim, na transformação DA, ocorre uma compressão adiabática, que faz a temperatura do gás aumentar novamente.
Com isso, o ciclo se completa, permitindo que a máquina realize trabalho de forma eficiente.
Com isso, o ciclo se completa, permitindo que a máquina realize trabalho de forma eficiente.
Carnot mostrou que o rendimento máximo de uma máquina térmica é sempre menor que 1 e relaciona-se com as temperaturas Tq ( da fonte quente) e Tf ( da fonte fria), de acordo com a seguinte expressão:
Carnot mostrou que o rendimento máximo de uma máquina térmica é sempre menor que 1 e relaciona-se com as temperaturas Tq ( da fonte quente) e Tf ( da fonte fria), de acordo com a seguinte expressão:
Tf = temperatura da fonte fria ( medida em Kelvin).
Tf = temperatura da fonte fria ( medida em Kelvin).
Tq = temperatura da fonte quente (medida em Kelvin).
Tq = temperatura da fonte quente (medida em Kelvin).
η = rendimento) da máquina térmica.
η = rendimento) da máquina térmica.
Nessa expressão, para o cálculo do rendimento de uma máquina de Carnot, as temperaturas devem ser expressas na unidade Kelvin.
Nessa expressão, para o cálculo do rendimento de uma máquina de Carnot, as temperaturas devem ser expressas na unidade Kelvin.
Fonte dos textos sobre máquinas térmicas: https://drive.google.com/file/d/1gePYww-g4cKCDoMoGQiwJNVPsPoZg3_f/view
Fonte dos textos sobre máquinas térmicas: https://drive.google.com/file/d/1gePYww-g4cKCDoMoGQiwJNVPsPoZg3_f/view
Fonte das figuras sobre máquinas térmicas:
Fonte das figuras sobre máquinas térmicas:
Experiência de Joule: https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/conteudo/experimento-de-joule.jpg
Experiência de Joule: https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/conteudo/experimento-de-joule.jpg
Revolução industrial, locomotiva parte 1: https://lereaprender.com.br/o-que-foi-a-revolucao-industrial/
Revolução industrial, locomotiva parte 1: https://lereaprender.com.br/o-que-foi-a-revolucao-industrial/
Revolução industrial, locomotiva parte 2: http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia2000/turmaB/grupo5/ferrovia/ferrovia.htm
Revolução industrial, locomotiva parte 2: http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia2000/turmaB/grupo5/ferrovia/ferrovia.htm
Revolução industrial, Charlie Chaplin: https://blog.mackenzie.br/vestibular/materias-vestibular/o-que-foi-a-revolucao-industrial/
Revolução industrial, Charlie Chaplin: https://blog.mackenzie.br/vestibular/materias-vestibular/o-que-foi-a-revolucao-industrial/
Fórmula do rendimento com a temperatura: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/rendimento-das-maquinas-termicas.htm
Fórmula do rendimento com a temperatura: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/rendimento-das-maquinas-termicas.htm
Segunda lei da termodinâmica: https://www.passeidireto.com/arquivo/93514055/mapa-mental-da-2-lei-da-termodinamica
Segunda lei da termodinâmica: https://www.passeidireto.com/arquivo/93514055/mapa-mental-da-2-lei-da-termodinamica
Exercícios sobre máquinas térmicas
Exercícios sobre máquinas térmicas
O rendimento de uma máquina térmica é medido em porcentagem e é definido pelo quociente entre o trabalho realizado e a quantidade de calor absorvido da fonte quente. Assim, uma máquina que retira 500 cal da fonte quente e realiza um trabalho de 1200 J tem um rendimento de: Lembre-se: 1 cal equivale a 4,2 J)
O rendimento de uma máquina térmica é medido em porcentagem e é definido pelo quociente entre o trabalho realizado e a quantidade de calor absorvido da fonte quente. Assim, uma máquina que retira 500 cal da fonte quente e realiza um trabalho de 1200 J tem um rendimento de: Lembre-se: 1 cal equivale a 4,2 J)
Uma máquina que realiza um ciclo de Carnot opera entre uma fonte quente, com temperatura de 300 K, e uma fonte fria com temperatura de 250 K. Calcule o rendimento desta máquina.
Uma máquina que realiza um ciclo de Carnot opera entre uma fonte quente, com temperatura de 300 K, e uma fonte fria com temperatura de 250 K. Calcule o rendimento desta máquina.
Se um motor térmico possui as temperaturas de trabalho de 1800 K e 800 K e possui um rendimento de 30%, ele poderia ter um rendimento maior?
Se um motor térmico possui as temperaturas de trabalho de 1800 K e 800 K e possui um rendimento de 30%, ele poderia ter um rendimento maior?
Uma máquina térmica retira 200 cal da fonte quente e realiza um trabalho de 80 J. Sabendo-se que 1 cal = 4,18 J, calcule o rendimento desta máquina e a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.
Uma máquina térmica retira 200 cal da fonte quente e realiza um trabalho de 80 J. Sabendo-se que 1 cal = 4,18 J, calcule o rendimento desta máquina e a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.
É possível existir uma máquina térmica que retire 50 cal da fonte quente e realize um trabalho de 240 J?
É possível existir uma máquina térmica que retire 50 cal da fonte quente e realize um trabalho de 240 J?
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