Termodinâmica: Calor e Trabalho

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Universidade Federal do Piauí
Departamento de Química
FÍSICO Química i
TERMODINAMICA
Calor e Trabalho
sair
1
1ª e 2a Leis
Termodinâmica
Termodinâmica é a ciência que trata das trocas de energia entre um sistema e o meio externo. Ela discute:
 o calor e do trabalho
 as características dos sistemas e
 as propriedades dos fluidos termodi-
nâmicos
Energia: É a capacidade de realizar trabalho. Esta capacidade pode-se manifestar sob várias formas: radiação eletromagnética, energia potencial ou incorporada, energia cinética, energia química (das reações químicas, dos alimentos) e calor. 
Energia interna é toda a energia de um sistema que está associada com suas componentes microscópicas – átomos e moléculas – quando vistas de um sistema de referência em repouso com respeito ao objeto.
Há dois mecanismos pelos quais podemos alterar a energia interna do sistema:
Processos envolvendo a transferência de energia pela realização de trabalho;
Processos envolvendo a transferência de energia pela troca de calor.
Trabalho: Em termodinâmica, é definido como qualquer quantidade que escoa através da fronteira de um sistema durante uma mudança de estado e é completamente conversível na elevação de uma massa nas vizinhanças. 
- Caracterização do trabalho – 
1) Aparece apenas na fronteira do sistema; 
2) Durante uma mudança de estado; 
3) Através de efeitos nas vizinhanças; 
4) Trabalho: W = mgh
5) Quantidade Algébrica: 
W = + ⇒ massa suspensa – {W produzido escoa para vizinhanças.}
W = – ⇒ massa é abaixada {W é destruído nas vizinhanças e escoa a partir das vizinhanças!}
Trabalho
Unidades de trabalho:
erg=dina.cm
Joule=Newton.metro=1 kg.m.s-1.m =105dinasx102cm = 107ergs
Joule=volt-coulomb= 1volt-Ampere-segundo
Atm-litro= 101.325 N.m–2. 10–3 m3=101,325 joules
A unidade adotada no Sistema Internacional (SI), é o Joule
Obs.: 1 atm.L = 
Existem várias formas de trabalho. 
Formas de Trabalhos
Mecânico
De Estiramento
Gravitacional
Expansão
Expansão superfícial
Eletroquímico
dw = Fext dl
dw = k l dl
dw = mg dl
dw = - Pext dV
dw = g dA
dw = DV dQ 
 = I DV dt
Fext = força externa
l = deslocamento
kl = tensão
l = deslocamento
m = massa
g = constante gravitacional
l = deslocamento
Pext = pressão externa
V = volume
g = tensão superficial
A= área
DV = diferença de potencial
Q = quantidade de eletricidade
I = corrente elétrica
t = tempo
Calor: Em termodinâmica, calor é definido como uma quantidade que escoa através da fronteira de um sistema durante uma mudança de estado, em virtude de uma diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças, e escoa de um ponto de temperatura mais ALTA para um ponto temperatura mais BAIXA. 
Caracterização do calor –
1) Aparece apenas na fronteira do sistema;
2) Aparece durante uma mudança de estado;
3) Manifesta-se por efeitos nas vizinhanças;
4) É proporcional à massa de água que, nas vizinhanças é aquecida; aumento de 1 grau ⇒ Q= C∆t = mc∆t 
(1 caloria = aumento de 1 grau, 1 g de H2O)
5) Quantidade Algébrica:
Positivo: Massa de água esfria nas vizinhanças – calor escoa a partir das vizinhanças;
Negativo: Massa de água se aquece nas vizinhanças – calor escoa para as vizinhanças.
Convenções de Sinais: Trabalho 
Em termodinâmica,
O trabalho realizado pelo gás é positivo 
O trabalho realizado pelo gás é negativo 
Expansão do gás
Compressão do gás
W > 0 → energia que sai do sistema
W < 0 → energia que entra no sistema
Convenções de Sinais:
 Calor 
Calor - Modo de transferência de energia resultante da diferença de temperatura entre dois sistemas (ou um sistema e a vizinhança):
Q > 0 → calor que entra no sistema 
Q < 0 → calor que sai do sistema
Discussão sobre as convenções
DU = q + w
a partir da perspectiva da vizinhança
a partir da perspectiva do sistema
DU = q - w
Trabalho de Expansão
A energia interna de um sistema que efetua o trabalho diminui 
A energia interna de um sistema que efetua o trabalho diminui 
(Pilla)
(Atkins)
A vizinhança “ganha” energia 
sob forma de trabalho
O Sistema “cede” energia sob 
forma de trabalho
w de expansão
w de expansão
O SISTEMA PRODUZ TRABALHO
 A Energia e o Primeiro Princípio da Termodinâmica – Termoquímica 
Exemplos:
(1) Sistema = Estado inicial 10 g H2O liquida, bequer aberto, Pressão p1 = 1atm; t1= 25 ºC, Imerso em H2O = 100 g a 90ºC - Temperatura cai para 89°C; - 100 unidades de calor escoram a partir das vizinhanças; Sistema Estado Final: p2 = 1atm; t2= 35 ºC Qcedido = Qrecebido ⇒ Q = m.c.∆t 100gx1cal/g.grau.1grau=10g.1cal/g.graux∆t 
⇒∆t=10ºC
t1 = 25ºC ⇒ t2 = t1 + 10 ⇒ t2 = 35ºC
 A Energia e o Primeiro Princípio da Termodinâmica – Termoquímica 
Experiência de Joule = Rumford: “Equivalente mecânico do calor”; 
(2) Sistema Inicial: 10g H2O(líq) 
–p1 = 1 atm t1 = 25ºC 
 
- Atualmente: ENERGIA TÉRMICA; 
- Massa caindo – altura ajustável para t2 = 35oC 
 
Sistema Final: p2 = 1 atm 
 t2 = 35ºC 
 A Energia e o Primeiro Princípio da Termodinâmica – Termoquímica 
Observação: 
1) Não há escoamento de CALOR; 
2) Há escoamento de TRABALHO. 
Calor e Trabalho: 
1) Dependem do caminho: ESTADOS 1 → 2; 
2) O sistema NÃO tem CALOR nem TRABALHO
Calor e Trabalho
Estudo de caso
Caso 1	 //////////////
Estado A
Massa m, altura h 
Estado B
Massa m, altura h=0
 /////////////////// 
Caminho 1	 ////////////
Estado A
Massa m, altura h 
Estado B
Massa m, altura h=0 
 ///////////////////
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Calor e Trabalho
Estudo de caso
Caminho 2	 //////////////
Estado A
Massa m, altura h 
Estado B
Massa m’, altura h=0
 /////////////////// 
Caso 2	
	
Estado A
Gás a p1 , V1, T1
Estado B
Gás a p2 , V2, T2
sair
Para 03-09-2010
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Calor e Trabalho
Escolha dois caminhos para realizar a transformação
Caso 2	
Caminho 2	
Estado A
Gás a p1 , V1, T1
Estado B
Gás a p2 , V2, T2
sair
Caso 2	
Caminho 1	
Estado A
Gás a p1 , V1, T1
Estado B
Gás a p2 , V2, T2
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Calor e Trabalho
Lei Zero da Termodinâmica:
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Se A e B estão em equilíbrio térmico com C então A e B estão em equilíbrio térmico entre si. 
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Calor e Trabalho
Escalas termométricas
Qual a temperatura (ºC) em um termômetro de gás a volume constante e pressão zero?
sair
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Trabalho de expansão
Trabalho de Expansão
Trabalho de expansão
W = m.g.h
Trabalho de expansão
Continuando...
Trabalho de expansão
Trabalho de expansão
Trabalho de compressão
Trabalho de compressão
Trabalho Maximo e minimo
Trabalho Maximo e minimo
Transformações reversíveis e irreversíveis
Processo I
Transformações reversíveis e irreversíveis
A dedução mostra
Processo II
Calor e Trabalho
Primeira Lei
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Trabalho adiabático:
P  aumentou
V  diminuiu
Aumento da energia interna U.
  aumento da temperatura T.
Diferencial inexata !!
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Calor e Trabalho
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É preciso conhecer o caminho que vai de i para f.
Dependendo do caminho o trabalho é diferente!!
Wif é a área abaixo da curva P(V) de Vi até Vf.
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Calor e Trabalho
Calor
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Transferência de calor:
Diferencial inexata !!
Depende do caminho!!
Existe cV e cP
Primeira Lei:
Q > 0  calor adicionado ao sistema (U aumenta)
Q < 0  calor retirado do sistema (U diminui)
W > 0  trabalho realizado pelo sistema (U diminui)
W < 0  trabalho realizado sobre o sistema(U aumenta)
Conservação de energia
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Calor e Trabalho
Processo reversível
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1) Ocorrer muito lentamente
2) Atrito desprezível
Areia colocada de grão em grão, aguardando o sistema adotar o equil. termod. a cada grão colocado.
P
V
Função P(V)
Inicial
Final
Assim, conhecemos o caminho de i até f e podemos calcular o trabalho !!! 
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Calor e Trabalho
Processos Termodinamicos 
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Adiabático  não troca calor. 
 
Isocórico  volume não varia. 
 
Isobárico  pressão não varia.
Isotérmico  temperatura não varia.
Cíclico  retorna ao estado inicial.
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Calor e Trabalho –Gás ideal
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1) Densidade baixa (sem interação entre partículas).
2) Temperatura elevada.
Nestas condições gás real  gás ideal 
 Lei de Boyle: PV = cte
 Lei de Charles e Gay-Lussac: V/T = cte e P/T = cte
Então:
Equação de estado dos gases ideais
n  número de moles.
R = 8,314 J/mol.K  cte. universal dos gases ideais.
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Calor e Trabalho –Gás ideal
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Expansão livre de um gás:
Retirada da
parede
Paredes adiabáticas
Não troca calor
Não empurra parede
Se temperatura não muda
Verdade para gás ideal !!
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Calor e Trabalho –Gás ideal
Capacidade Térmica
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Primeira lei:
Gás Ideal: U depende apenas da
 temperatura
Então:
Concorda para gases monoatômicos e diatômicos
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Calor e Trabalho –Gás ideal
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Isotérmico:
Adiabático:
Para um gás ideal em qualquer processo com variação dT.
ou
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Calor e Trabalho –Gás ideal
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Adiabáticas
V
P
Isotermas
Ciclo de Carnot
Curva adiabática sempre mais inclinada que curva isotérmica.
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Calor e Trabalho
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Existem processos que respeitam a primeira lei da Termodinâmica (conservação da energia), mas não ocorrem na natureza. Por que?
bloco deslizando em um plano inclinado, para baixo, na presença de atrito -> o bloco perde energia mecânica, transformada em calor, som etc. Por que ele não reabsorve essa energia e sobe o plano inclinado, espontaneamente?
(ii) copo cai de uma mesa e se quebra ao atingir o solo -> a energia mecânica é transformada em calor, som, energia interna do solo etc. Por que essa energia não pode ser reutilizada e elevar o copo na mesa, espontaneamente?
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Calor e Trabalho
Segunda Lei da Termodinâmica
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 É impossível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir a mesma quantidade de trabalho.
Temperatura constante !!!
Para gás ideal
Mas não é ciclo !!
Parede diatérmica
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Calor e Trabalho
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 É impossível realizar um processo cujo único efeito seja transferir calor de um corpo mais frio a um corpo mais quente.
Mas não volta ao estado inicial !!
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Calor e Trabalho
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Segunda Lei Termodinâmica  sentido de ocorrência 
 dos fenômenos naturais.
Entropia  Desordem
Expansão livre de um gás ideal: 
Logo: 
Para 03-09-2010
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