AS LEIS DA TERMODINÂMICA

Vocês já estudaram a lei fundamental da termodinâmica, conhecida como lei zero, referente ao equilíbrio térmica entre os corpos, num determinado ambiente.

Vamos, agora, aprender mais duas leis ou princípios da termodinâmica:

1ª Lei

A primeira lei refere-se ao princípio de conservação de energia, expressa por:

Este princípio estabelece uma relação entre o trabalho (t) e o calor (Q) trocados entre um sistema (DU) e o seu meio exterior. Graficamente, poderíamos representar algo como:

onde:

Na realidade, este princípio ou lei mostra que a energia não pode ser criada, nem destruída, mas transformada de uma espécie em outra.

Essas 3 quantidades (calor, trabalho e energia interna) tem a sua soma conservada. Assim, sempre que soubermos duas delas, poderemos encontrar o valor da terceira.

É bom lembrar que:

Existem quatro condições padrões sob as quais o trabalho é realizado em termodinâmica:

a) pressão constante (isobárico)

b) volume constante (isocórico)

c) temperatura constante (isotérmico)

d) calor constante (adiabático)

Para uma melhor compreensão deste princípio, devemos ter em mente que:

a) Sistema

Um corpo ou conjunto de corpos que está sendo o foco da atenção

b) Energia interna

Energia total existente no interior do sistema, representado por U

c) Quando um sistema sai de um estado inicial para um estado final, ele troca energia com a vizinhança, absorvendo ou liberando calor e realizando ou recebendo trabalho. Assim, a energia interna varia da forma:

Exemplo:

Quando o sistema aumenta de volume, costumamos dizer que realizou trabalho e, quando o volume foi reduzido, dizemos que recebeu trabalho.

Como aplicação desta lei podemos citar o caso:

Um sistema ou corpo, submetido a pressão constante, sofre uma variação de volume. O trabalho realizado é dado pela expressão:

sendo que:

a) Se t > 0 è DV > 0

o sistema realiza trabalho sobre o ambiente, aumentado o volume

b) Se t < 0 è DV < 0

o sistema sofre a ação de um agente externo realizando um trabalho sobre ele

Deve-se observar nesta aplicação que:

a) pode-se generalizar a expressão

para o caso de pressão não constante, desde que se conheça o gráfico p x V da transformação.

b) sólidos e líquidos mantêm-se a pressão constante e volume praticamente constantes durante a transferência de calor, o que não ocorre nos gases

Vamos a um exemplo prático da 1ª lei da termodinâmica. Imagine um tambor que contenha um gás qualquer, colocado sobre uma chama que lhe fornece uma quantidade de calor de 200J (vide figura abaixo) Pelo princípio da Conservação de energia, sua energia interna iria sofrer uma variação equivalente a 200J. Mas, ocorre que o sistema realizou um trabalho de 50J sobre a vizinhança, por meio de uma expansão do gás que empurrou a tampa do tambor para cima.

Para obtermos o valor da variação de energia interna sofrida pelo sistema, subtraimos do calor recebido (Q=200J) o trabalho realizado (50J), o que nos leva à conclusão de que a variação de energia interna foi de 150 J.

Agora, vamos fazer alguns exercícios de aplicação desta lei da termodinâmica, referente a conservação de energia.

2ª Lei

A segunda lei que vamos estudar, agora, estabelece as condições em que é possível a transformação de calor em trabalho..

Para que entendamos melhor essa lei é necessário compreendermos o conceito de uma máquina térmica (turbinas, motores de explosão, reatores, ...). Essas máquinas fazem a conversão de calor em energia mecânica.

Operam em ciclos, retirando uma quantidade de calor da fonte quente, transformando parte em trabalho e devolvendo o restante a fonte fria, conforme ilustração abaixo:

O trabalho realizado pela máquina térmica é igual a diferença entre o calor recebido e o calor rejeitado, ou seja:

t = Q₁ - Q₂

Como o rendimento de uma máquina térmica é definido como a razão entre o trabalho aproveitado e a quantidade de calor recebido da fonte quente, temos que:

m = t / Q₁

e, sabendo que t = Q₁ - Q_{2, ,} temos que:

m = (Q₁ - Q₂) / Q₁

ou melhor,

m = 1 - Q₂ / Q₁

Nota-se que o rendimento nunca poderá ser 100% (m ¹ 1), daí o enunciado mais conhecido da 2ª lei:

É impossível construir uma máquina térmica, operando em ciclos, que transforme em trabalho todo o calor recebido de uma fonte.

A primeira máquina térmica que se tem notícia foi criada na antiguidade pelo inventor grego Heron, no século 1, a.C. O dispositivo era relativamente simples (veja figura abaixo): uma fonte de calor fazia a água contida num reservatório entrar em ebulição. O vapor resultante desse processo era canalizado por dois tubinhos em direção a uma esfera de metal dotada de orifícios posicionados em lados opostos. ao escapar pelos buracos da esfera, o vapor fazia com que ela girasse.


Muito tempo depois, por volta de 1770, o inventor escocês James Watt criou uma máquina térmica bem mais eficiente do que as existentes até então e que teria forte influência sobre o destino da humanidade. Seu dispositivo (uma eficiente máquina a vapor) foi um dos primeiros a fazer transformação em escala industrial, de calor em trabalho mecânico. O vapor gerado por uma caldeira movimentava um pistão dentro de um cilindro, fazendo girar uma roda, e depois escapava por uma tubulação em direção a um condensador, permanentemente resfriado por um jato de água fria, conforme figura abaixo:

Mesmo com todo o avanço tecnológico, o rendimento das máquinas térmicas existentes hoje, está longe dos 100%. Para elevar esse rendimento é preciso aperfeiçoar o seu ciclo de funcionamento. Um dos ciclos mais conhecidos de bom rendimento é o ciclo idealizado pelo engenheiro francês Sadi Carnot, em 1824, que é conhecido como “Ciclo de Carnot”.

No ciclo de Carnot, as quantidades de calor são proporcionais às suas temperaturas , ou seja:
Q₂ / Q₁ = T₂ / T₁
logo, podemos obter o rendimento de uma máquina de Carnot, da forma:

m = (T₁ - T₂) / T₁
onde T₂ = temperatura absoluta de resfriamento
e T₁ = temperatura absoluta da fonte de aquecimento

Agora, vamos fazer alguns exercícios de aplicação desta lei da termodinâmica, referente ao rendimento de uma máquina térmica.

Bibliografia:

“ Fotos e partes do texto extraídos da revista Curso Preparatório ENEM – Guia do Estudante -2010”