Calor e primeira lei da Termodinâmica
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Calor, trabalho e 1a lei da Termodinâmica Trabalho de configuração. Trabalho dissipativo. Calor. Equivalente mecânico do calor. 1a lei da Termodinâmica. Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Trabalho de configuração Coordenadas: dW = PdV dW = −µ0 Hd µ dW = ∑ YdX dW = − FdL • Intensivas. • Extensivas. dW = PdV − µ0 Hd µ Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Trabalho dissipativo • Não pode ser diretamente associado a uma variação global nas coordenadas termodinâmicas do sistema. • Não há (necessariamente) alteração na configuração do sistema. • Envolve a existência de efeitos dissipativos. • Processos irreversíveis. Thermodynamics…, Sears & Salinger Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Calor – definição calorimétrica • Calor é “aquilo” que é transferido entre um sistema e suas vizinhanças apenas em virtude da diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças. • Paredes adiabáticas: não permitem a troca de calor. • Paredes diatérmicas: permitem a troca de calor. Heat and Thermodynamics, Zemansky http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node11.html Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Conceito de Calor – um pouco de história • Teoria do Calórico: atribuía as alterações sofridas por corpos em contato térmico à troca de um fluido (calórico), que passaria do corpo mais quente para o mais frio. Lavoisier (1783), Laplace (1816), Carnot (1824), ... Teoria amplamente aceita no final do século XVIII (~1780)... ...mas seriamente questionada na metade do século XIX (~1850). http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html http://en.wikipedia.org/wiki/Caloric_theory Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Conceito de Calor – um pouco de história • Benjamim Thompson (Conde Rumford): experimentos envolvendo a perfuração de canhões com brocas (~1798). O calor era produzido de forma ininterrupta, Rumford (1753-1814) enquanto os cavalos estavam trabalhando. Mais calor era produzido quando a ferramenta estava cega. Como poderia o movimento dos cavalos produzir um fornecimento inexaurível de calórico? http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Conceito de Calor – um pouco de história • Benjamim Thompson (Conde Rumford): “Qualquer coisa que qualquer corpo isolado ou sistema de corpos pode continuar a fornecer ilimitadamente, não tem possibilidade de ser uma Rumford (1753-1814) substância material; e me parece extremamente difícil, se não totalmente impossível, formar qualquer ideia clara de qualquer coisa, capaz de ser acionada e transmitida da forma como o calor o foi nessas experiências, a não ser que seja movimento.” H. C. Von Bayer, A Física e o nosso mundo. Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Conceito de Calor – um pouco de história • Esforços experimentais para comprovar a equivalência entre trabalho e calor: • Julius R. Von Mayer (1842). • Ludwig A. Colding (~1843). • James P. Joule (1843). “On the existence of an equivalent relation between heat and the ordinary forms of mechanical power”, Philosophical Magazine, Series 3, Vol. XXVII, p. 205, 1845. Joule (1818-1889) http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical) http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES O equivalente mecânico do calor • Experimento de Joule (~1843): Q J= W “After reducing the result to the capacity for heat of a pound of water, it appeared that for each degree of heat evolved by the friction of water a mechanical power equal to that which can raise a weight of 890 lb. to the height of one foot had been expended.” http://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_equivalent_of_heat http://www.eoearth.org/article/On_the_Mechanical_Equivalent_of_Heat_(historical) Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES O equivalente mecânico do calor • Definição de caloria: quantidade de calor necessária para aquecer 1 g de água pura de 14,5 até 15,5 °C à pressão atmosférica (“caloria 15°C”). • Medida de J ⇒ medida do calor específico da água. • Caloria IT (International Table), adotada pela 5a Conferência Internacional das Propriedades do Vapor (Londres, 1956): • 1 cal = 4,1868 J. Q J= W http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES O calor específico da água Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Calor e trabalho em um processo termodinâmico Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Trabalho em processos adiabáticos Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Trabalho em processos adiabáticos Formas de trabalho adiabático: • Expansões quase-estáticas. • Expansões não-quase-estáticas. • Trabalho dissipativo (resistores). a f c d i b e Alguns caminhos: iaf ibf icdf iebf Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Primeira Lei da Termodinâmica • Fato experimental: o trabalho total realizado em processos adiabáticos depende apenas das coordenadas termodinâmicas dos estados inicial e final. • Se um sistema tem seu estado alterado por meio de processos unicamente adiabáticos, o trabalho total envolvido é o mesmo para todos os caminhos adiabáticos conectando os estados inicial e final. • Definição da energia interna (função de estado): −Wi→ f ( adiabático) = U f − U i dU = − dWad (1a Lei da Termodinâmica para processos adiabáticos) Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Trabalho em processos não-adiabáticos Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Primeira Lei da Termodinâmica • Definição termodinâmica do calor: quando um sistema – cujas vizinhanças estão em temperaturas diferentes e sobre o qual trabalho pode ser realizado – passa por um processo termodinâmico qualquer, a energia transferida por meios não mecânicos, que é igual à diferença entre a variação da energia interna e o trabalho realizado, é chamada de calor. • O calor corresponde, portanto, à energia em trânsito entre um sistema e suas vizinhanças em virtude unicamente da existência de uma diferença de temperatura. • Assim como o trabalho, o calor não é uma função de estado. dQ → diferencial inexata ∫i f dQ → depende do caminho Heat and Thermodynamics, Zemansky Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Primeira Lei da Termodinâmica • Calor, Trabalho e Energia Interna: f 2 Q1 ≠ Q2 ≠ Qad = 0 ad. W1 ≠ W2 ≠ Wad = −∆U 1 i Q1 − W1 = Q2 − W2 = −Wad = ∆U (independente do caminho) Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Primeira Lei da Termodinâmica • Calor, Trabalho e Energia Interna: f 2 ∫i ∫i f f dQ → depende do caminho dW → depende do caminho ∆U = U f − U i → não depende do caminho ad. 1 Q = W − Wad Q = ∆U + W i Convenção de sinais: Q > 0: sistema recebe calor. Q < 0: sistema perde calor. Termodinâmica – 2012/02 Convenção de sinais: W > 0: trabalho realizado pelo sistema. W < 0: trabalho realizado sobre o sistema. Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Energia interna ∆U = U f − U i → não depende do caminho f 2 U ( X , Y ,..., T ) → função de estado Sistemas hidrostáticos: 1 U ( P,V ) ou U ( P, T ) ou U (T ,V ) i Gases ideais: ( Q − W = U f − Ui dU = dQ − dW Termodinâmica – 2012/02 ) U (T ) dQ = dU + ∑ YdX (formas diferenciais de Pfaff) Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Calor versus trabalho Trabalho de configuração Calor Físico-Química, Vol. 1, Atkins Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES Bibliografia e links sugeridos: “Calor e Termodinâmica”, M. W. Zemansky, 5a ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1978. “Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística”, F. W. Sears & G. L. Salinger. Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1979. “A Física e o nosso mundo”, Hans Christian von Baeyer, Elsevier, 2004. “Físico-Química”, P. Atkins, J. de Paula, 7a ed, LTC Editora, 2003. http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node14.html. http://honolulu.hawaii.edu/distance/sci122/Programs/p21/p21.html. http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf. Termodinâmica – 2012/02 Prof. Jair C. C. Freitas –Depto. de Física / UFES
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