Calor e primeira lei da Termodinâmica

Transcrição

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
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
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.
http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node11.html
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
• 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
• 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.
• 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
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)
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
O calor específico da água
Calor e trabalho em um processo termodinâmico
Trabalho em processos adiabáticos
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
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)
Trabalho em processos não-adiabáticos
• 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
• 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)
• 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.
Convenção de sinais:
W > 0: trabalho realizado pelo sistema.
W < 0: trabalho realizado sobre o sistema.
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
)
U (T )
dQ = dU + ∑ YdX
(formas diferenciais de Pfaff)
Calor versus trabalho
Trabalho de configuração
Calor
Físico-Química, Vol. 1, Atkins
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.

Calor e primeira lei da Termodinâmica

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