Termodinâmica I

Calor, trabalho e rendimento

A troca de calor e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao nosso redor.

A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação e energia térmica em energia de movimento.

Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.

A primeira lei da termodinâmica, que é o princípio da conservação da energia aplicada a sistemas termodinâmicos.
A segunda lei da termodinâmica, que nos mostra as limitações impostas pela natureza quando se transforma calor em trabalho.

Para entendê-las, é preciso inicialmente compreender duas grandezas físicas importantes: o trabalho e a energia interna.

O trabalho

Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante. Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um conseqüente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.

Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho. 

De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado na figura abaixo. 

O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume. 

Para que o trabalho de um sistema seja diferente de zero, é obrigatória uma variação de volume do sistema. Em transformações isométricas, ou seja, com volume constante, o trabalho vale zero. Da relação de trabalho e variação de volume temos:

Unidade de trabalho: no sistema internacional, o trabalho é medido em joules

.Energia interna

Na física é muito comum usarmos o termo sistema, por isso é importante entendermos o que isso significa. Na termodinâmica podemos considerar um sistema como um conjunto de muitas partículas, como por exemplo, um gás.

Em um gás, há um número muito grande de moléculas que estão em constante estado de movimentação. Definimos a energia interna como a energia de movimentação dessas moléculas, ou seja, a soma das energias cinéticas das moléculas que constituem esse gás. 

Determinar a energia interna de um gás não é uma tarefa simples, mas se considerarmos este gás como um gás perfeito, a energia interna pode ser determinada pela lei de Joule. 

Onde: 

U é a energia interna.

R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).

T é a temperatura.

n é o numero de mols.

• 
  
  Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema. Resumindo:
  
  
  
  No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a temperatura, em Kelvin. 

  
  

  A primeira lei da termodinâmica.

  
  
  Como foi mencionado anteriormente, a primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.

• 
  
  Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situações possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do gás representa a realização de trabalho. 
  

Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma. 

Vídeos Relacionados:

Termodinâmica do Inferno

O Dr. Schambaugh, professor da escola de Engenharia Química da
Universidade de Oklahoma é reconhecido por fazer perguntas do tipo: "Por que os aviões voam?" em suas provas finais. Sua única questão na prova
final de maio de 1997 para sua turma de Transmissão de Momento, Massa e
Calor II foi: "O inferno é endotérmico ou exotérmico? Justifique sua
resposta." Vários alunos justificaram suas opiniões baseados na Lei de
Boyle ou em alguma variante da mesma. Um aluno, entretanto, escreveu o
seguinte:

"Primeiramente, postulamos que se almas existem então elas devem ter
alguma massa. Se elas têm, então um mol de almas também tem massa.
Assim sendo, o estado termodinâmico do inferno é função da grandeza de
seu volume de controle e da taxa do fluxo líquido das almas que passam
pelo mesmo.

Eu acho que podemos assumir seguramente que uma vez que uma alma entra
no inferno ela nunca mais sai. Por isso não há almas saindo. Para as
almas que entram no inferno, vamos dar uma olhada nas diferentes
religiões que existem no mundo hoje em dia. Algumas dessas religiões
pregam que se você não pertencer a ela, você vai para o inferno. Como
há mais de uma religião desse tipo e as pessoas não possuem duas
religiões, podemos assumir que todas as pessoas e almas vão para o
inferno.

Daí tem-se que a integral de superfície do fluxo de almas sobre o volumede controle do inferno é negativa o que, de acordo com o teorema da
divergência de Gauss implica dizer que a integral de volume da
divergência do fluxo de almas com relação ao volume de controle do
inferno é também negativa.

Com as taxas de natalidade e mortalidade do jeito que estão, podemos
esperar um crescimento exponencial das almas no inferno em função do
tempo.

Agora vamos olhar a taxa de mudança de volume de controle do inferno. A Lei de Boyle diz que para a temperatura e a pressão no inferno serem
invariantes ao tempo, a relação entre a massa das almas e o volume de
controle do inferno deve ser constante.

Existem então duas opções:

1 - Se o volume de controle do inferno se expandir numa taxa menor do
que a taxa de almas que entram no mesmo, então sua temperatura e
pressão vão aumentar até ele explodir.

2 - Se o volume de controle do inferno estiver se expandindo numa taxa
maior do que a da entrada de almas, então a temperatura e a pressão
irão baixar até que o inferno se congele.
Então, qual das duas?
Se nós aceitarmos o que Theresa Manyam me disse no primeiro ano: "haverá

uma noite fria no inferno antes que e eu me deite com você", e levando
em conta que ainda NÃO obtive sucesso na tentativa de me deitar com ela,

então a opção 2 não é verdadeira.
Por isso, o inferno é exotérmico."
O aluno Tim Graham tirou o único A na turma.